恭喜！国家纳米中心使用CULTEX细胞暴露技术研究空气污染的高分文章发表
2019年2月，来自于中国科学院国家纳米中心、山西大学环境与健康研究中心环境与资源学院、中国科学院大学的多位科学家在有名的环境类期刊Chemosphere发表题为“Complex to simple: In vitro exposure of particulate matter simulated at the air-liquid interface discloses the health impacts of major air pollutants”关于复合空气污染物体外气液界面毒性研究的进展。
空气颗粒物（PM）：
PM的主要无机成分包括硫酸盐、硝酸盐、铵、氯化物和微量金属（Wang等人，2013年；Han等人，2016年）,其中硫酸盐对人体健康的危害比其他PM成分更大（Ueda等人，2016年），这些硫酸盐主要是由人类排放到大气中的SO2 在一定条件下经复杂的氧化还原反应形成，同时吸附到气溶胶颗粒表面与其他物质一起形成复杂的协同毒性作用。二氧化硅（SiO2）是大气气溶胶的主要成分之一，由于其结构稳定、比表面积大、毒性相对较低，被用来模拟大气粒子的核心（Wang等人，2018）。同时，随着纳米技术的发展，二氧化硅纳米颗粒的应用也越来越广泛。之前的研究表明，空气中的二氧化硫可以被吸附到大气颗粒物的表面（Han等人，2016年）。因此，通过模拟硫酸盐吸附在SiO2上形成的气溶胶，可用于研究空气污染物的毒性效应和健康风险。
CULTEX气-液界面暴露技术：
到目前为止，还没有使用体外模型来研究颗粒物与二氧化硫的协同毒性作用，主要是由于缺乏合适颗粒物细胞体外暴露的系统。传统浸没式暴露实验设计中，直接将颗粒添加到细胞培养基中评估颗粒毒性。然而，这些方法有明显的局限性，其重复性差、由于聚集而引起的粒径变化、颗粒与培养基组分（例如白蛋白）的相互作用以及颗粒被培养基溶解（Savi等人，2008年；Fatisson等人，2012年）。此外，吸入颗粒将首先与肺表面活性剂相互作用，后者由上皮II型细胞产生，覆盖肺泡区域，以防止肺泡塌陷等功能。表面活性剂涂层可改变吸入颗粒的表面特性和随后的毒性。传统的浸没式暴露法显然不具备模拟体内真实环境。相比之下，气-液界面（ALI）模型中，通过在气-界面处为上皮细胞暴露空气表面提供一层薄薄的气道表面液体来真实反映体内环境（Jayaraman等人，2001年）。此外，与浸没在培养基中生长的细胞相比，气-液界面生长的上皮细胞具有很好的分化结构和功能（Kameyama等人，2003年）。因此，ALI可以提供与动物吸入非常相似的实验条件，尽管在其应用中仍有许多未解决的问题，即在ALI或所谓的体内表面活性剂中粒子与表面液体的相互作用动力学、粒子的理化变化以及对组成的影响。本研究采用气液界面(ALI)暴露模型研究HSO3与SiO2纳米粒子协同肺毒性，揭示复合空气污染物的肺毒性及可能引起的肺部**，特别是无机物和纳米颗粒复合污染物的肺毒性具有重要意义。
文章摘要：
颗粒物（PM）暴露对人体健康有许多不利影响。空气环境是一由各种复杂混合物构成的，然而，要厘清其中单个污染物的毒性贡献是非常有挑战性的。本研究的目的是使用二氧化硅纳米颗粒（SiO2 NPs）和亚硫酸氢盐组成的气溶胶作为模拟粒子相关的高硫污染物。然后，使用气-液界面（ALI）的暴露室在细胞水平上评估二氧化硫对健康的影响。BEAS-2B细胞在气-液界面（ALI）分别暴露于纳米二氧化硅、亚硫酸氢盐气溶胶以及涂有亚硫酸氢盐的二氧化硅（SiO2-NH2@HSO3）气溶胶中3 小时。根据暴露剂量比较其对细胞的毒性。二氧化硅纳米颗粒（SiO2NPs）单独暴露于空气中不产生明显的细胞毒性，但涂有亚硫酸氢盐的二氧化硅（SiO2-NH2@HSO3）气溶胶暴露显著降低了细胞活性，并以剂量依赖性方式增强了细胞活性氧的产生。因此，过度的氧化应激导致线粒体损伤和细胞凋亡。气-液界面暴露方法可能反映人体呼吸系统的实际生理暴露状况。硫酸盐作为空气污染二氧化硫的衍生物，加剧了可吸入PMS的毒性作用。这一结果可能是由于纳米颗粒具有大表面积的特性，在气溶胶暴露期间能够携带更多的亚硫酸盐并到达靶细胞。硫酸盐水平为目前的PM2.5空气污染指数提供了一个有意义的补充，以实现更好的人类健康防护。
实验重要数据
本研究所有ALI暴露实验均在德国CLUTEX RFS COMPACT系统中完成，RFS COMPACT系统内可同时进行对照组与实验组两组实验。
The exposure doses of NM aerosols. The size distributionsof aerosols of (A) SiO2-OH, (C) SiO2-NH2 and (E) SiO2-NH2@HSO3 in the 14.6e661.2 nm particle size range. The mass concentrations ofaerosol particles of (B) SiO2-OH, (D) SiO2-NH2 and (F) SiO2-NH2@HSO3 in the 14.6e661.2 nm particle size range after exposure on BEAS-2Bcells for 3 h at ALI.
Cellular toxicitiesdetected in BEAS-2B after ALI exposure to various PM aerosols. Cell viability(A) and cell membrane integrity analysis (B) after 3 h exposure. C1 is the ALI exposurecontrol of filteredclean air; C2 is the normal cell control cultured in incubator. The ROS levels(C) and ATP production (D) in BEAS-2B cells after ALI exposure for 3 h and withan extra incubation for 5 h. N =3,Control group is the ALI exposure of filtered clean air. The data represents onecandidate experiment result from at least three independent experiments. *P < 0.05, #P <0.01 vs the indicated groups.
The live & dead testing results of BEAS-2B cells after exposureto aerosols for 3 h at ALI and extra incubation in ALI chamber for 5 h. Thedata represent the mean of at least three independent experiments normalized tocontrols of ALI. C1 is the ALI exposure control of filtered clean air; C2 is the normal cell controlcultured in incubator. *P <0.05, #P < 0.01 vs the indicated groups.
Expression levels of marker genes in BEAS-2Bcells after ALI exposure to different PM aerosols for 3 h and with an extraincubation for 5 h. (A) Bax; (B) Bcl-2;(C) Bcl-2/Baxratio; (D) Caspase-3; (E) Chop; and (F) Xbp-1s.The data represents one candidate experiment result from at least threeindependent experiments. N =5,Control group is the ALI exposure of clean air. *P < 0.05, #P <0.01 vs the indicated groups.
恭喜！国家纳米中心使用CULTEX细胞暴露技术研究空气污染的高分文章发表。该研究得到国家科技部、国家自然科学基金、国家杰出青年科学基金和中国科学院前沿科学重点研究计划项目的资助。