黑碳和黑碳-污染物复合体诱发肺部炎症反应的作用机理研究

Black carbon (BC) is one of the major components of atmospheric fine particulate matter (PM2.5). Black carbon can adsorb the pollutants in the process of air transport to form the composites of black carbon and pollutants (black carbon-pollutants), which exhibits stronger toxic effects. It is an important scientific problem in the toxicological mechanism and health effects of PM2.5. However, the toxicological research on black carbon is very limited, and the mechanism of pulmonary inflammatory reaction induced by black carbon and black carbon-pollutant composites is not clear.For this purpose, using black carbon and synthesized black carbon-pollutant composites as materials in animal model (in vivo) and cell model (in vitro), the researches will explore the inflammatory reaction and its characteristics induced by black carbon and black carbon-pollutant composites, investigate the interaction of black carbon and its composites with related proteins in the inflammatory reaction, and elucidate the mechanism of pulmonary inflammation induced by black carbon and black carbon-pollutant composites. The project will provide an important theoretical base for revealing the health effects of PM2.5.

黑碳是大气细颗粒物（PM2.5）的主要组分之一，黑碳在大气传输过程中吸附污染物，形成黑碳-污染物复合体的毒性效应更强。开展黑碳和黑碳-污染物复合体的毒理学研究，是PM2.5的毒理机制与健康危害研究中一个亟待解决的重要科学问题。然而，有关黑碳的毒理学研究十分有限，尚不能明确黑碳和黑碳-污染物复合体诱发肺部炎症反应的作用机制。为此，本项目拟以标准黑碳和制备的黑碳-污染物复合体为实验材料，应用动物模型（体内）和细胞模型 （体外），采用毒理学和分子生物学等技术，在组织-细胞-分子水平上，探讨黑碳和黑碳-污染物复合体诱发的炎症反应及其特点，研究黑碳和黑碳-污染物复合体与相关蛋白等大分子结合在炎症反应中的相互作用，阐明黑碳和黑碳-污染物复合体诱发肺部炎症反应的作用机理。该项目将为PM2.5的健康效应研究奠定重要的理论基础。

本研究紧紧围绕黑碳-污染物复合体诱发肺部炎症反应及其作用机理这一科学问题，采用人工模拟黑碳吸附污染物制备了黑碳-重金属铅复合体，探讨其诱发肺炎症反应及其作用机理。.一是成功制备和表征了生物有效性好、符合大气传输中形成的二次黑碳颗粒，即氧化黑碳-重金属铅粒子。选择炭黑和醋酸铅分别为PM2.5中碳核和重金属的代表，人工模拟黑碳的非均相氧化反应和吸附污染物过程，首次成功地制备和表征了氧化黑碳-铅复合体粒子，有效的克服了黑碳在介质体系中分散性、稳定性和生物有效性差的难题。.二是通过细胞和小鼠模型明确了黑碳-重金属铅粒子诱发的肺毒性效应及其作用机理。首先，以人肺细胞为模型，明确了不同理化性质的黑碳粒子诱发的细胞毒性效应，包括粒子的细胞摄取、细胞活力、氧化应激、炎症反应、DNA损伤和细胞凋亡等；证实了在细胞摄取氧化黑碳-铅复合体粒子的过程中，其诱发的毒性作用方式是协同互作效应。其次，明确了不同理化性质的4种黑碳粒子诱发的细胞周期阻滞、自噬与溶酶体的损伤的分子机理是通过上调LC3蛋白水平和下调Lmp2蛋白水平实现的；进一步确证了氧化黑碳-铅复合体粒子的作用机理涉及氧化应激、DNA氧化损伤、自噬和细胞凋亡等方式，提示了诱发的细胞毒性效应涉及多种分子信号通路。最后，以ICR小鼠为模型，通过急性和长期暴露探明了氧化黑碳-铅粒子诱发的病理损伤及其特点，黑碳-铅复合体粒子暴露后小鼠肺病理损伤、炎症反应和氧化损伤均强于黑碳粒子；表明肺炎症因子水平与血清中炎症因子水平存在显著的相关性，并通过血液循环系统能够直接或间接地触发其他器官炎症和病理损伤。.三是首次研制了碳粒子-蛋白分子互作的新型电化学传感器。通过光电化学技术研制了碳粒子-蛋白互作的新型电化学传感器，并利用荧光猝灭技术和圆二色谱技术，建立了碳粒子-蛋白分子互作的技术方法，为进一步揭示碳粒子与炎症相关的蛋白分子之间的互作机理提供了技术支持。