陳業(yè)文,胡元灝,程龍,劉俏,晏彪,吳喆
湖北科技學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究中心,咸寧 437100
可吸入細(xì)顆粒物(PM2.5,空氣動力學(xué)直徑≤2.5 μm)對人體的不利影響主要取決于粒徑、成分和濃度,并隨季節(jié)變化[1],其濃度的升高與過敏性疾病的發(fā)病率有著密切的關(guān)系[2-3]。Zhang等[4]對我國4個城市(廣州、武漢、蘭州、重慶)8 000余名小學(xué)生的調(diào)查表明,PM2.5濃度每升高39 μg·m-3,兒童哮喘的發(fā)病率就會增加1.22%;Chen等[5]應(yīng)用多重Logistic回歸模型分析了我國6個城市(上海、南京、重慶、長沙、烏魯木齊、太原)30 759名學(xué)齡前兒童的過敏癥狀個體水平,其結(jié)果發(fā)現(xiàn),PM2.5年平均濃度每升高10 μg·m-3,過敏性鼻炎(OR=1.2,95%可信區(qū)間為1.11~1.29)、哮喘(OR=1.1,95%可信區(qū)間1.03~1.18)的患病率呈正相關(guān)。大量研究表明,PM2.5暴露對兒童過敏性疾病具有重要影響[2-5],然而PM2.5與過敏性疾病的關(guān)聯(lián)尚未完全闡明。
已有研究表明,PM2.5能使巨噬細(xì)胞功能失調(diào),并最終誘發(fā)哮喘和其他過敏性疾病[6]。PM2.5主要通過呼吸道進(jìn)入體內(nèi),那些粒徑小于0.1 μm的PM2.5還能直接穿透肺泡進(jìn)入血液循環(huán)系統(tǒng)。巨噬細(xì)胞是該系統(tǒng)中重要的一類靶細(xì)胞,有研究指出,PM2.5暴露會使肺泡巨噬細(xì)胞出現(xiàn)DNA損傷[7],誘導(dǎo)肺巨噬細(xì)胞發(fā)生炎癥反應(yīng)[8];但由于PM2.5的成分復(fù)雜,含多種有害物質(zhì),加之其暴露毒性可能受多種因素影響,因而其致病機(jī)理目前尚無定論[9]。當(dāng)前,提出的PM2.5的毒性機(jī)制較多[10],主要包括氧化應(yīng)激,炎癥反應(yīng)以及先天和后天免疫反應(yīng),其中氧化應(yīng)激可能是公認(rèn)的機(jī)制之一,其他機(jī)制均與氧化應(yīng)激相關(guān)[11]。PM2.5由于不規(guī)則以及多棱角,首先進(jìn)入體內(nèi)后,會對呼吸道上皮細(xì)胞、肺泡細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞均有直接的機(jī)械損傷[12],在此過程中,PM2.5與細(xì)胞作用會誘導(dǎo)機(jī)體釋放活性氧(ROS),而ROS的過量產(chǎn)生與呼吸、循環(huán)系統(tǒng)的損傷密切相關(guān)[13]。
黃虹等[14]利用人體肺部PM濃度模型定量評估了廣州市夏、冬季抽樣人群PM2.5的日均暴露量發(fā)現(xiàn),冬季的暴露量大于夏季,未成年人接觸PM2.5的量要比老年人、成年人高。一些研究也指出,未成年人在室內(nèi)所處的時間較室外長[15],而且室內(nèi)PM2.5的濃度有可能高于室外[16],因而,室內(nèi)PM2.5對未成年人尤其是那些患有過敏癥狀兒童的影響值得關(guān)注。本研究從武漢市洪山區(qū)的5戶患有過敏癥狀兒童的室內(nèi)采集PM2.5,通過檢測不同劑量PM2.5暴露下小鼠腹腔巨噬細(xì)胞的氧化應(yīng)激水平(ROS、GSH、8-OH-dG),炎癥因子水平(TNF-ɑ、IL-8β),并同時聯(lián)合VE進(jìn)行阻斷,以探究其對小鼠巨噬細(xì)胞的氧化損傷作用以及VE在此過程中的抗氧化保護(hù)作用。
1.1.1 主要儀器與試劑
儀器:AirChek XR5000 PM2.5環(huán)境采樣器(美國SKC),QMA 石英膜(美國Whatman),Centrivap?真空離心濃縮儀(美國Labconco),Power wave XS 酶標(biāo)儀(美國Bio-Tek),F(xiàn)LX800熒光酶標(biāo)儀(美國Bio-Tek),SW-CJ-2D超凈工作臺(中國蘇州凈化),TE2000-S倒置顯微鏡(日本Nikon)。
試劑:RPMI 1640 培養(yǎng)基,胎牛血清(Gibco),二氯二氫熒光素-乙酰乙酸酯(DCFH-DA,>99.9%,美國Sigma),硫代巴比妥酸(TBA,分析純),還原型谷胱甘肽試劑盒(南京建成生物工程研究所),小鼠8-OH-dG、TNF-α 和IL-8β酶聯(lián)免疫試劑盒(美國eBioscience),其他化學(xué)試劑均為國產(chǎn)分析純。
1.1.2 實(shí)驗(yàn)動物
選用湖北省疾病預(yù)防控制中心實(shí)驗(yàn)動物中心提供的SPF級雌性昆明小鼠(6周齡,合格證號:42000600003915),標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境(12 h:12 h光照-黑暗循環(huán),50%~70% 濕度,溫度為20~25 ℃)飼養(yǎng)1周后取材實(shí)驗(yàn)。
1.2.1 PM2.5的采集
本研究先對100余戶家庭中10~12歲的兒童進(jìn)行問卷調(diào)查,滿足以下條件:兒童居住時間> 3年,且兒童患有1種或1種以上的過敏性癥狀(如過敏性鼻炎、哮喘),篩選出5戶家庭作為PM2.5采樣點(diǎn)。用AirChek XR5000 PM2.5采樣器采集,所設(shè)置的吸氣流量為1.5 L·min-1,2016年10月至12月期間每日白天無間斷采樣8 h,采樣當(dāng)時監(jiān)測的室內(nèi)PM2.5濃度為200~500 μg·m-3,相對濕度范圍為55%~70%,室內(nèi)溫度變化范圍為17~22 ℃。采集樣品在QMA 石英膜(直徑46.2 mm)上。
1.2.2 PM2.5懸液制備
QMA石英膜經(jīng)干燥處理后,將濾膜剪成1~2 cm2的小塊,用三蒸水超聲振蕩20 min,去除濾膜。濾液混勻,再經(jīng)真空離心濃縮儀處理,稱重后,用PBS配成所需濃度,混勻并滅菌,4 ℃保存。實(shí)驗(yàn)時超聲震蕩15 min混勻使用。
1.2.3 巨噬細(xì)胞的分離和培養(yǎng)
雌性SPF級KM小鼠實(shí)驗(yàn)前3 d,腹腔注射1 mL 6%可溶性淀粉(可刺激小鼠腹腔產(chǎn)生更多的巨噬細(xì)胞)后,按李海濤等[17]的操作步驟獲得巨噬細(xì)胞,經(jīng)HE染色鑒定為巨噬細(xì)胞,同時用0.4%臺盼藍(lán)(Trypan blue,實(shí)驗(yàn)室常用活體染色劑)染色巨噬細(xì)胞5 min,分別3次計數(shù)視野內(nèi)100個細(xì)胞中出現(xiàn)藍(lán)色細(xì)胞的比例,取平均值,巨噬細(xì)胞的存活率=1-(4+5+5)/(100×3)=95.3 %。經(jīng)鑒定后分離出的細(xì)胞先鋪板于6孔板2 h后,洗去未貼壁細(xì)胞,待細(xì)胞計數(shù)后調(diào)整細(xì)胞密度為l×l09個·L-1,移入96孔板中,每孔180 μL,混勻后置于培養(yǎng)箱中待染毒。
1.2.4 PM2.5暴露濃度的選擇與分組
PM2.5與巨噬細(xì)胞共培養(yǎng)24 h。PM2.5濃度參考先前的研究[18]選擇為0(對照),10 μg·mL-1(低劑量),200 μg·mL-1(高劑量);50 mg·mL-1的VE作為非酶抗氧化劑。實(shí)驗(yàn)分組如下:(A) 對照組(control, saline),(B)患過敏癥狀兒童的室內(nèi)(indoor allergic)10 μg·mL-1PM2.5,(C) 患過敏癥狀兒童的室內(nèi)(indoor allergic)200 μg·mL-1PM2.5;(D) VE(50 mg·mL-1);(E)VE(50 mg·mL-1)+患過敏癥狀兒童的室內(nèi)(indoor allergic)200 μg·mL-1PM2.5。
1.2.5 指標(biāo)測定
(1)ROS測定:2’,7’-二氯熒光素二乙酸(DCF)被廣泛用于檢測活性氧的生成,用以評估整個氧化應(yīng)激的潛在毒性[19]。DCFH-DA能穿透細(xì)胞膜并被細(xì)胞內(nèi)的水解酯酶分解產(chǎn)生非熒光的DCFH。ROS含量通過監(jiān)測這種熒光變化來衡量,具體方法參考文獻(xiàn)[20]。最終的反應(yīng)混合物置于黑暗環(huán)境下5 min,然后選擇激發(fā)波長485 nm和發(fā)射波長520 nm,用FLx800熒光酶標(biāo)儀檢測。
(2)GSH測定:谷胱甘肽可以在黑暗中與二硫代二硝基苯甲酸(DTNB)反應(yīng)形成黃色化合物,GSH試劑盒可用來檢測這種顏色變化。然后用酶標(biāo)儀檢測412 nm 波長下吸光值,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線,計算GSH含量(μmol·mL-1)= OD412/0.0023,R2=0.997。
(3)MDA測定:MDA可與TBA反應(yīng)形成穩(wěn)定的發(fā)色團(tuán),實(shí)驗(yàn)方法簡言之,2 mL 0.6% TBA溶解液(10% TCA助溶)與0.5 mL細(xì)胞懸液混合,沸水浴15 min,會有粉紅色混合物沉淀生成。隨后快速冷卻,10 000 g離心5 min,收集的上清液,用酶標(biāo)儀檢測450、532、600 nm 波長下吸光值,MDA 含量(μmol·mL-1)=6.45×(OD532-OD600)-0.56×OD450。
(4)DNA損傷分析:暴露后的細(xì)胞上清液中所含的8-OH-dG含量使用ELISA試劑盒測定,試劑盒敏感度為0.5 ng·mL-1。
(5)TNF-α和IL-8β的檢測:本實(shí)驗(yàn)中巨噬細(xì)胞上清液中TNF-α 和IL-8β的含量通過ELISA試劑盒檢測,TNF-α、IL-8β試劑盒靈敏度都為8.0 pg·mL-1。
1.2.6 統(tǒng)計學(xué)分析
數(shù)據(jù)采用平均值(mean)±標(biāo)準(zhǔn)差(SEM)。組間的差異分析通過單向方差分析(ANOVA)結(jié)合t檢驗(yàn)(Tukey test)確定,P< 0.05、P< 0.01為差異顯著。統(tǒng)計圖表使用GraphPad Prism 5.0軟件繪圖。
圖1顯示PM2.5暴露24 h后小鼠腹腔巨噬細(xì)胞的形態(tài)變化,對照組的巨噬細(xì)胞呈圓型或橢圓(圖1A),有偽足狀突起,而PM2.5暴露組的巨噬細(xì)胞偽足狀突起消失或并不明顯(圖1B、1C);且隨著PM2.5濃度的增大,核質(zhì)比明顯增大(圖1B、1C)。從圖1E可以看出,與200 μg·mL-1PM2.5組比較,VE (50 mg·mL-1) + 200 μg·mL-1PM2.5組雖有一定程度的皺縮,但巨噬細(xì)胞的數(shù)量明顯較多。
圖1 PM2.5暴露24 h后巨噬細(xì)胞的形態(tài)圖(Giemsa染色,×20)注:(A)對照組(control, saline),(B)患過敏癥狀兒童的室內(nèi)(indoor allergic)10 μg·mL-1 PM2.5,(C)患過敏癥狀兒童的室內(nèi)(indoor allergic)200 μg·mL-1 PM2.5;(D)VE(50 mg·mL-1);(E)VE(50 mg·mL-1)+患過敏癥狀兒童的室內(nèi)(indoor allergic)200 μg·mL-1 PM2.5。Fig. 1 Morphology of macrophages after exposure to PM2.5 for 24 h (stained with Giemsa, ×20 magnification)Note: (A) Control (saline); (B) allergic 10 μg·mL-1 PM2.5; (C) allergic 200 μg·mL-1 PM2.5; (D) VE (50 mg·mL-1); (E) VE (50 mg·mL-1) + allergic 200 μg·mL-1 PM2.5.
圖2 PM2.5對小鼠巨噬細(xì)胞ROS的影響 (n = 5)注:與對照組比較,**P < 0.01;與混合組(PM2.5+ VE)比較,# # P< 0.01。Fig. 2 ROS level of macrophages induced by different concentrations of PM2.5 after 24 h (n=5)Note: **P< 0.01, compared with control; # # P< 0.01, VE (50 mg·mL-1) + 200 μg·mL-1 PM2.5 group compared with 200 μg·mL-1 PM2.5 group.
圖3 PM2.5對小鼠巨噬細(xì)胞GSH的影響(n = 5)注:與對照組相比,**P< 0.01。Fig. 3 GSH level of macrophages induced by different concentrations of PM2.5 after 24 h (n=5)Note: ** P< 0.01, compared with control.
ROS是氧化應(yīng)激最重要的生物標(biāo)志物,而GSH是氧化應(yīng)激過程中的清除劑,可以清除活性氧分子(如·OH等),防止氧化,但自身也會隨之被消耗。細(xì)胞內(nèi)PM2.5誘導(dǎo)ROS生成的結(jié)果如圖2所示,ROS水平在PM2.5暴露24 h后增加非常顯著(P< 0.01)。與200 μg·mL-1PM2.5組比較,VE (50 mg·mL-1) + allergic 200 μg·mL-1PM2.5組ROS含量下降,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P< 0.01)。從圖3可以看出,與對照組比較,200 μg·mL-1PM2.5組GSH含量明顯降低,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P< 0.01);與200 μg·mL-1PM2.5組比較,VE (50 mg·mL-1) + 200 μg·mL-1PM2.5組GSH含量升高。
ROS過量誘導(dǎo)的另一個主要結(jié)果是會導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化反應(yīng),而脂質(zhì)過氧化會進(jìn)一步損傷細(xì)胞。MDA是脂質(zhì)過氧化的終產(chǎn)物,因而MDA濃度的變化可以指示脂質(zhì)過氧化的損傷程度。從圖4可以看出,10 μg·mL-1和200 μg·mL-1PM2.5組的MDA水平增加顯著(P< 0.01)。與200 μg·mL-1PM2.5組比較,VE (50 mg·mL-1) + 200 μg·mL-1PM2.5組MDA含量下降,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P< 0.01)。
8-OH-dG作為DNA氧化損傷的敏感指標(biāo),可用來反映PM2.5誘導(dǎo)DNA損傷的程度。如圖5所示,與對照組比較,200 μg·mL-1PM2.5組的8-OH-dG水平增加,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P< 0.05)。
TNF-α和IL-8β,是2種非常重要的炎癥因子,通過檢測它們含量的變化可以間接評估PM2.5對巨噬細(xì)胞炎癥反應(yīng)的影響。TNF-α的結(jié)果如圖6所示,與對照組比較,200 μg·mL-1PM2.5組的有顯著差異(P< 0.01),與200 μg·mL-1PM2.5組比較,VE (50 mg·mL-1) + 200 μg·mL-1PM2.5組TNF-α水平有降低的趨勢。IL-8β的結(jié)果如圖7所示,該結(jié)果顯示的趨勢與TNF-α的相同,即與對照組相比,200 μg·mL-1PM2.5組的發(fā)生了顯著變化(P< 0.05)。
圖4 PM2.5對巨噬細(xì)胞MDA的影響(n = 5)注:與對照組比較,**P< 0.01;與混合組(PM2.5+ VE)比較,# # P< 0.01。Fig. 4 MDA level of macrophages induced by different concentrations of PM2.5 after 24 h (n=5)Note: **P< 0.01, compared with control; # #P< 0.01, VE (50 mg·mL-1) + 200 μg·mL-1 PM2.5 group compared with 200 μg·mL-1 PM2.5 group.
圖5 PM2.5對巨噬細(xì)胞8-OH-dG的影響 (n=5)注:與對照組相比,* P< 0.05。Fig. 5 8-OH-dG level of macrophages induced by different concentrations of PM2.5 after 24 h (n = 5)Note: *P< 0.05, compared with control.
圖6 PM2.5對巨噬細(xì)胞TNF-α的影響(n = 5)注:與對照組相比, ** P< 0.01。Fig. 6 TNF-α level of macrophages induced by different concentrations of PM2.5 after 24 h (n = 5)Note: ** P< 0.01, compared with control.
圖7 PM2.5對巨噬細(xì)胞IL-8β的影響 (n = 5)注:與對照組相比,*P< 0.05。Fig. 7 IL-8β level of macrophages induced by different concentrations of PM2.5 after 24 h (n = 5)Note:* P< 0.05, compared with control.
近些年國外的權(quán)威研究調(diào)查表明[21],主要空氣污染物包括PM2.5與兒童過敏性疾病之間存在著一定的聯(lián)系:過敏性癥狀與PM2.5的暴露程度有關(guān)[22]。Rojasbracho等[23]的研究表明,室內(nèi)PM2.5濃度與個人行為顯著相關(guān),更高的污染風(fēng)險可能對個體健康產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)結(jié)果,暴露于更高水平的室內(nèi)PM2.5有可能會增加細(xì)胞損傷的風(fēng)險。細(xì)胞形態(tài)學(xué)結(jié)果顯示,小鼠腹腔巨噬細(xì)胞的數(shù)量會隨著PM2.5暴露濃度的增加而降低,其多偽足狀突起的形態(tài)特征逐漸消失。PM2.5暴露劑量由10 μg·mL-1增加到200 μg·mL-1,反映氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)的指標(biāo)也均表現(xiàn)出一定的劑量依賴關(guān)系,隨著ROS含量的累積,還原性GSH的含量相應(yīng)地?fù)p耗,脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物MDA含量增加,8-OH-dG水平增加,IL-8、TNF-α的表達(dá)量增加。
研究表明,通過氧化應(yīng)激介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)可能是PM2.5潛在毒性的致病機(jī)制之一[11]。有研究指出,PM2.5自身含有大量的半醌類自由基,且這些自由基通過激活ROS聚集對DNA造成損傷[24]。ROS可以由細(xì)胞接觸PM2.5后直接通過氧化還原生成,也可以間接通過細(xì)胞與PM2.5交互作用生成[11]。細(xì)胞受到外來異物PM2.5刺激后,伴隨ROS的積累,細(xì)胞會出現(xiàn)不同程度的損傷,機(jī)體隨之會作出即時的反應(yīng),激活免疫細(xì)胞(如巨噬細(xì)胞)釋放出大量的促炎癥細(xì)胞因子,如IL-8、TNF-α[25]。這些細(xì)胞因子的及時分泌對機(jī)體免受PM2.5傷害是有利的,然而,長期的炎癥反應(yīng)則相當(dāng)不利,如:低濃度TNF-α對機(jī)體的自我平衡功能(如組織修復(fù)、啟動凋亡)是重要的,而其整體水平隨炎癥的增強(qiáng)而增強(qiáng),TNF-α的過剩則可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的組織損傷[26]。許多呼吸道疾病(哮喘、慢性阻塞性肺病)可以追溯到炎癥相關(guān)細(xì)胞因子高水平的活化[27],氧化應(yīng)激過程通過協(xié)同作用能有效激活促炎癥因子(如IL-8、TNF-α等)的表達(dá),涉及的信號通路主要有激活氧化還原致敏因子的蛋白激酶(MAPK)途徑和核轉(zhuǎn)錄因子(nuclear factor-κB,NF-κB)途徑[28]。如:在呼吸系統(tǒng)疾病(如慢性呼吸疾病和哮喘)中,PM2.5能通過核轉(zhuǎn)錄因子依賴(NF-κB-dependent)途徑、核轉(zhuǎn)錄因子抑制(IκB-independent)途徑促進(jìn)IL-8的釋放[11]。
本研究顯示,較高劑量(≥200 μg·mL-1)PM2.5暴露后的小鼠巨噬細(xì)胞出現(xiàn)氧化損傷,并伴有炎癥反應(yīng);VE在該應(yīng)激過程中起著一定的保護(hù)作用。雖然實(shí)驗(yàn)小鼠與人體存在差異,但結(jié)果仍有一定參考價值;由于PM2.5的復(fù)雜性,其造成損傷的機(jī)制有待進(jìn)一步研究。
通訊作者簡介:晏彪(1988-),男,碩士,助教,主要從事環(huán)境醫(yī)學(xué)和環(huán)境毒理學(xué)方面的研究。
共同通訊作者簡介:吳喆(1983-),女,碩士,講師,主要研究方向?yàn)榛A(chǔ)醫(yī)學(xué)。
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