科研进展

广州地化所发现HULIS可能是中国城市大气PM2.5中诱导炎症效应的重要化学组分

  

  流行病学数据和毒理学数据都显示,炎症效应是大气PM2.5对人体的重要早期健康效应,其产生,可能诱导了后续一系列的心肺血管疾病的发生和发展。PM2.5中的化学组分繁多、时空差别大,哪些组分诱导了炎症效应,一直是空气污染与健康研究领域的一个重要问题,在我国现阶段,尤有现实意义。

  近期,中国科学院广州地球化学研究所的马慧敏副研究员和李军研究员,采集了全国十大城市四个季度的PM2.5样品,分别进行水溶性离子、水溶性金属元素、水溶性有机碳、类腐殖质(HULIS,humic-like substances)等化学组成分析,和水溶性组分的结构信息的核磁共振分析、炎症效应分析(诱导模式细胞A549和Beas-2B 细胞的炎症因子)(图1为研究思路)。根据统计学方法,他们分析得出HULIS组分中的含氧脂肪烃组分、一些无机离子,以及细菌内毒素等组分,可能是水溶性组分中诱导炎症效应产生的主要物质。该研究的主要结论如下:  

图1 研究思路

  1. 北方城市的PM2.5中可溶性组分诱导炎症效应的能力,普遍比南方城市强。同等采样体积下,PM2.5水溶性组分的毒性强于可溶有机组分(二氯甲烷萃取组分)。各城市样品的水溶性组分,在同等采样体积下进行人体细胞暴露实验,测得的毒性结果如图2所示。可见,北方城市明显比南方城市的诱导炎症效应的能力较大;而季节变化特征表现为夏季PM2.5诱导炎症能力较冬季的高。  

图2 我国10个大型城市不同季节PM2.5样品的水溶性组分对炎症效应的诱导能力

  2. HULIS组分(类腐殖酸类化合物),特别是一些脂肪醇、多元醇、酯类,和有机硝酸酯类等含H-C-O结构的有机化合物,可能诱导了炎症效应的产生。在全国十大城市四个季度的样品中,HULIS组分的含量和炎症因子之间有显著正相关,表明HULIS组分可能是诱导了炎症因子的主要组分;进一步的实验中,去除部分样品水溶性组分中的HULIS组分,发现去除后的样品诱导炎症因子的能力显著下降,验证了以上结论。再而,使用核磁共振技术(1H NMR)分析所有样品的水溶性有机碳(WSOC)的结构信息,结果显示含有H-C-O结构的物质含量和炎症因子之间有显著正相关,由于HULIS组分是WSOC的主要成分,其中含有大量H-C-O 结构组分,因此推测HULIS组分中的脂肪醇、多元醇、酯类,和有机硝酸酯类等含H-C-O结构的有机组分对炎症因子的诱导能力较大。

  3. 三种基因启动子区域的甲基化改变(RASSF2, CYP1B1和 iNOS),可能参与了炎症效应的产生。利用基因芯片技术筛选和Masssequence 甲基化测序方法的验证,初步筛选出这三个与肺癌相关的基因甲基化的改变参与了PM2.5水溶性组分诱导炎症产生的这一过程。

  4. 此外,主成分(PCA)分析结果表明,一些主要无机阳离子(主要包括NH4+, Ca2+, Mg2+, 和Pb)与炎症因子之间亦存在显著相关性,可能也是诱导炎症效应的重要毒性组分。

  本工作受国家重点研发项目大气专项项目((2017YFC0212000)、广东省“本土创新团队”项目(201707020033)等资助。相关论文,近日发表在Environmental Science &Technology上。

  Ma, H.; Li, J.; Wan, C.; Liang, Y.; Zhang, X.; Dong, G.; Hu, L.; Yang, B.; Zeng, X.; Su, T.; Lu, S.; Chen, S.; Khorram, M. S.; Sheng, G.; Wang, X.; Mai, B.; Yu, Z.; Zhang, G., Inflammation Response of Water-Soluble Fractions in Atmospheric Fine Particulates: A Seasonal Observation in 10 Large Chinese Cities. Environmental science & technology 2019. 53:3782-3790.