典型可吸入矿物粉尘对A549细胞膜界生物活性行为研究

发布时间：2020-04-10 10:50

【摘要】：随着经济的迅速发展,环境问题逐渐凸显,我国的空气污染特征也趋于明显,这不仅体现在种类繁多的大气污染源清单上,也呈现于复杂多变的污染物本身。目前,工业废气、汽车尾气、燃煤烟尘、建筑扬尘已是众所周知的空气污染的主要来源,对空气质量影响举足轻重。而随着环境空气质量的恶化,大气颗粒物对人体健康的影响和评价逐渐成为公众关注的焦点。颗粒物的毒性研究和健康损伤机制已逐步深入开展,然而大多研究均是针对大气中复合颗粒物的毒性,较少对大气中矿物颗粒的毒性和机制进行系统评估。本研究以大气中常见的石英、方解石、蒙脱石、绢云母和钠长石矿物尘为主要研究对象,并开展复相矿物粉尘及负载Pb(Ⅱ)、Cr(Ⅵ)、Cd(Ⅱ)重金属离子的矿物粉尘对A549细胞活性影响分析,探讨单相矿物粉尘对A549细胞的氧化损伤机制,研究复相粉尘、负载重金属离子矿物粉尘对A549细胞膜界微环境的影响,揭示不同矿物相以及重金属离子与矿物粉尘对A549细胞的联合损伤效应机制。具体内容如下:(1)单相、复相以及负载重金属矿物粉尘的特性研究以大气颗粒成分中最常见的矿物粉尘和重金属离子作为研究背景,制备相应的单相、复相以及负载重金属矿物粉,采用XRF、XRD、SEM、FTIIR等手段对其化学组成、物相、形貌、表面官能团进行表征;采用Zeta电位分析仪分析粉尘表面电性;采用ICP测定矿物粉尘元素溶出情况;研究结果表明矿物的表面电性、羟基等活性位点与晶格置换、破键、八面体片解离等相关,同时受到溶液H+、Ca2+、Mg2+以及OH-等离子的影响;矿物的复合及表面负载重金属离子影响粉尘解离和表面态。(2)单相矿物粉尘氧自由基释放及诱发A549细胞氧化损伤研究采用生物化学的方法检测与粉尘共培养条件下A549细胞存活率,加样瞬时和稳定后胞内外自由基浓度及胞内酶活性的响应,表征细胞的应激反应。研究表明粒径相近的几种矿物粉尘对细胞的增殖抑制效应表现为:蒙脱石绢云母≥石英钠长石≥方解石;矿物粉尘释放·OH的规律及其与引起A549细胞胞内外H2O2的变化受矿物成分(Si02和Fe203)、矿物晶体结构、表面键磨损和断裂、表面不饱和离子、水化表面和活性官能团等的影响;矿物粉尘作用引起A549细胞内活性氧(ROS)累积,谷胱甘肽(GSH)含量降低,超氧化物歧化酶(SOD)活性波动;矿物粉尘造成的氧化损伤是导致细胞代谢和增殖活力降低及凋亡的原因。(3)复相矿物粉尘对A549细胞的膜界微环境影响研究以方解石/石英为主要复合矿物研究体系,通过对复相粉尘联合作用引起体系自由基释放、主要离子溶出的变化,A549细胞内外pH、膜界氧化态、膜电位等研究,指出方解石存在的复相粉尘体系中,硅质粉尘的离子溶出规律抑或发生改变,方解石表面为H+-HC03--C032--Ca2+微碱缓冲界面,硅质粉尘表面形成≡Si-O-Ca+配合体;作用体系的改变减弱了粉尘的理化性质引起的培养环境pH变化及复相粉尘对细胞的机械刺激作用;方解石/石英复相粉尘引起A549细胞内钙离子([Ca2+]i)的增加,但并不与胞外溶出Ca2+相关;方解石/石英复相粉尘诱导的A549细胞内ROS积累的拮抗与协同作用受粉尘总浓度的影响;且随石英粉尘剂量增加,细胞膜极化增强,ROS升高,而方解石粉尘能显著降低细胞膜的极化作用,减弱胞内ROS水平;不同种类粉尘之间的联合作用不同,与矿物性质密切相关。(4)负重金属矿物粉尘的A549细胞膜区损伤研究通过对与负载重金属矿物粉尘中A549细胞生长代谢和增殖活力、细胞内ROS、线粒体膜电位(MMP)及[Ca2+]i的变化研究,分析了重金属单独、粉尘单独及浸染重金属粉尘对A549细胞的联合作用效果,并结合重金属离子在粉尘表面的结合态及理化性质分析负载重金属粉尘在细胞膜表面的赋存位点及对细胞膜损伤机制。研究表明负载重金属的石英和方解石粉尘可诱导A549细胞ROS升高、MMP破坏和增殖抑制作用;负载重金属与石英和方解石粉尘整体呈现对细胞活力的协同抑制作用,并受重金属离子在粉尘表面结合态的影响;重金属离子与粉尘之间呈现协同作用,而碳酸盐结合态的金属离子与粉尘之间呈现拮抗作用;粉尘表面重金属离子易与细胞膜分子结合,造成细胞膜边界层的[Ca2+]i升高;但细胞荧光强度增强的部位不同,并因负载重金属离子不同而荧光差异较大。(5)矿物粉尘的细胞膜损伤微观机制研究采用3-D荧光、红外、拉曼等光谱法对矿物粉尘与蛋白质、磷脂等主要膜分子的相互作用进行研究,研究表明矿物粉尘、负载重金属矿物粉尘依赖表面的正电荷与细胞膜表面羧基、磷酰基磷酸基团等负电荷发生静电吸引作用,粉尘表面带负电的硅醇和硅自由基则可与细胞表面的胺(铵)等正离子发生静电吸引作用;引起细胞膜磷脂头部磷酰基团振动发生变化,蛋白二级结构的变化,且损伤过程中粉尘的液相自由基也引起细胞膜蛋白和磷脂结构的变化,最终引起细胞功能和结构的变化。
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图１．１邋２０１３年全国霾日数分布示意图（引自２０１３中国环境状况公报）逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｈａｚｅ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｃｈｉｎａ邋ｉｎ邋２０１３邋（ｑｕｏｔｅｄ邋ｆｒｏｍ邋ｔｈｅ邋２０１３邋Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ邋Ｂｕｌｌｅｔｉｎ邋ｏｆ邋Ｃｈｉｎａ）．逡逑依据我国大气环境状况公报（图１．２），２０１３年ＰＭ２．５年均浓度范围为２６？１６（Ｈｉｇｉｒｆ３，逡逑平均浓度为７２邋，ｕｇｍ－３，达标城市比例仅为４．１％；邋ＰＭ１０年均浓度范围为４７？３０５邋ｐｇＴｒｒ５，逡逑平均浓度为１１８Ｍｇ＿ｎＶ３，，显著高二级标准年平均浓度限值７０吨沉３。重污染区如京津冀逡逑区域２０１３年和２０１４年ＰＭ２．５和ＰＭ１０的平均浓度分别为１０６邋，ｕｇ邋ｎｒ３、１８１邋（ｊｇ．ｍ－３和逡逑９３邋Ｍｇ邋ｍ＇邋１５８邋Ｍｇ＇ｎｖ３。虽然大气污染防治计划在不断深入执行，国家范围内的空气逡逑质量有所改善，但在２０１５年间，京津冀及周边地区内７０个地级以上城市仍共发生逡逑１７１０天次重度及以上污染天气，占２０１５年全国的４４．１％。直至２０１７年空气污染防逡逑２逡逑

Ｆｉｇｕｒｅ邋１．４邋Ｈｅａｌｔｈ邋ｉｎｐａｃｔｓ邋ｏｆ邋ＰＭ．逡逑颗粒物浓度升高可以导致老年呼吸系统疾病相关的慢性支气管炎、哮喘、的急诊增加［３Ｓ］。Ｈｕ等研究表明暴露于ＰＭ２．５和ＰＭ１０时会引起肺最大呼，而每升高１０邋，ｕｇ＇ｍ＿３能分别对应减少０．１１邋Ｌ／ｓ和０．５２邋Ｌ／ｓ邋李沛等建立粒物对人群健康危害风险的暴露－反应模型，发现ＰＭ２．５、ＰＭ１０浓度每上，非意外总死亡人数百分比分别上升０．６５％和０．１５％，其中呼吸系统疾病比分别上升０．６７％和０．０８％，循环系统疾病死亡人数百分比分别上升１．３７｜｜１。马洪群等的研究表明ＰＭ２．５当日浓度与呼吸系统疾病患者住院人数的ＰＭ２．５浓度每X椉樱

本文编号：2622133