大气颗粒物在肺微环境中的生物转化及效应

Nowadays, the toxicological impacts of atmospheric particulate matters have raised great concerns, especially for the accumulation of particulate matters in lung system. Nonetheless, it is necessary to note that all the current researches are based on the origin physicochemical properties of particulate matters without considering their potential transformation in biological systems (i.e., colloidal stability, interaction with biological macromolecules and pollutants release), which may alter their physicochemical properties and consequently influence their toxicological effects. Therefore, we focus on the biotransformation of real and model atmospheric particulate matters in lung systems. The mechanisms and the impact on cytotoxicity of biotransformation are also explored. We aimed at establishing the relationship between the physiochemical properties and the lung microenvironment on the transformation of particulate matters. This study would be of great importance in recognizing the chronic risks of atmospheric particulate matters to human health.

近年来，大气颗粒物的健康效应备受关注。进入呼吸系统的颗粒物可能会由于未被清除而积累在肺部并引发健康风险。目前有关于大气颗粒物的健康研究多数是基于颗粒物在大气中稳定存在的理化性质，忽略了其进入生命介质中后可能发生的改变：如胶体稳定性、结合生物大分子或释放污染物等变化。由于颗粒物的赋存状态与颗粒物的毒性效应密切相关，因此原有的研究体系无法正确评估进入肺微环境的颗粒物的生物效应——即大气颗粒物在慢性暴露下的累积毒性。本项目将使用真实及模拟颗粒物为研究对象，重点研究：1.空气颗粒物在肺内的转化及此过程对其理化性质与赋存状态的改变；2.从分子水平上探索颗粒物的转化对肺微环境损伤的机制。特色与创新：1.建立大气颗粒物自身理化性质和肺微环境两方面因素对转化影响的构效关系；2.从分子水平上认识转化前后颗粒物与细胞的相互作用及毒性效应，揭示大气颗粒物慢性暴露条件下对肺部的累积毒性机制。

细颗粒物暴露带来的健康风险日益得到关注，其中重要的问题之一是颗粒物能否穿透生物屏障并进一步分布于体内、造成长期毒性效应。因此我们探索了进入血液内循环的细颗粒物能否穿透血脑屏障进入人体大脑以及穿透血液-滑膜屏障进入关节腔。通过对病人脑脊液样本和关节腔积液样本的收集和纯化，利用球差校正透射电镜和高倍透射电镜表征了生物样本中外源颗粒物的形貌、粒径和化学组成等，鉴定出了不同来源可能（天然或人为）的细颗粒物。进一步使用动物模型进行了验证，采用同位素示踪技术，确认呼吸暴露的细颗粒物可以穿透气血屏障进入血液内循环，分布到大脑和关节，通过损伤生物屏障进入中枢神经和关节腔内；同时利用同位素标记示踪方法研究了细颗粒物穿透生物屏障后的清除速率，拟合的清除动力学显示机体清除进入大脑或者关节的细颗粒物都需要较长的时间，这意味着可能带来长期的慢性健康效应。而穿透生物屏障进入体内的细颗粒物的生物效应，会受其自身理化性质影响：例如，我们发现颗粒物被臭氧老化后表面含氧官能团数量和种类会改变，其中环氧基的含量会改变颗粒物对红细胞分化程度的影响，同时羧基的含量会通过改变颗粒物团聚形态而影响巨噬细胞对其吞噬能力。以上的研究结果都为探索空气细颗粒物的生物暴露和效应提供了理论依据。