作者：Kalina Ranguelova，Bruker BioSpin高級(jí)EPR應(yīng)用科學(xué)家
 
一段時(shí)間以來(lái)，人們已經(jīng)知道，活性氧物種（ROS，即一種在外軌道上存在一個(gè)不成對(duì)電子的自由基）會(huì)與體內(nèi)的生物分子發(fā)生反應(yīng)，從而刺激炎癥反應(yīng)，并通過(guò)氧化應(yīng)激導(dǎo)致細(xì)胞損傷和死亡。ROS誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激被認(rèn)為是許多急、慢性疾病的關(guān)鍵特征，由此激發(fā)了科學(xué)家們對(duì)ROS外源性和內(nèi)源性來(lái)源的研究興趣越來(lái)越濃�？諝庵械奈廴疚�、香煙煙霧和電離輻射是ROS的主要外源性來(lái)源，但它們同時(shí)也可能來(lái)自內(nèi)源性來(lái)源，如炎癥細(xì)胞、細(xì)胞代謝或細(xì)胞器損傷。分子可以通過(guò)氧化還原反應(yīng)獲得或失去電子，從而產(chǎn)生ROS，如超氧陰離子（O2•–）、過(guò)氧化氫（H2O2）和羥基自由基（•OH）。
 
在有機(jī)物質(zhì)燃燒的過(guò)程中，各種副產(chǎn)物會(huì)與金屬氧化物顆粒物（PM）發(fā)生反應(yīng)，并在其表面形成對(duì)環(huán)境具有持久性的自由基（EPFR）。這些自由基可以在空氣中留存數(shù)天至數(shù)周，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它自由基的留存時(shí)間，且能產(chǎn)生穩(wěn)定的ROS流。雖然EPFRs并不是什么新的發(fā)現(xiàn)，但其對(duì)人類(lèi)健康的長(zhǎng)期影響才剛開(kāi)始為人們了解。諸多研究也把重心放在其對(duì)心肺健康的影響，其中一些研究表明，EPFR會(huì)加劇哮喘和慢性阻塞性肺�。–OPD）等的既有病癥，而且還會(huì)影響基本的心肺功能。
 
體內(nèi)ROS

由于ROS的過(guò)度生成，進(jìn)入體內(nèi)的EPFR會(huì)引發(fā)氧化應(yīng)激狀態(tài)。ROS通常是機(jī)體氧代謝的天然副產(chǎn)物，在細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)和體內(nèi)穩(wěn)態(tài)等生物過(guò)程中發(fā)揮重要作用。然而，由內(nèi)源性或外源性自由基引起的氧化應(yīng)激對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能都會(huì)造成極大破壞。有害影響通常由DNA或RNA損傷、脂質(zhì)過(guò)氧化、蛋白質(zhì)中氨基酸的氧化或特定酶的氧化失活引起。
 
與氧化應(yīng)激一樣，暴露于外源性ROS（如來(lái)自空氣污染物的EPFRs）,可導(dǎo)致上皮細(xì)胞和結(jié)構(gòu)細(xì)胞炎癥。在正反饋回路中，參與炎癥反應(yīng)的白細(xì)胞和巨噬細(xì)胞可以釋放ROS，從而加劇氧化應(yīng)激。•OH自由基是活性最強(qiáng)的ROS之一，可損傷所有類(lèi)型的大分子。眾所周知，顆粒（PM）污染物富含鐵，引起氧化應(yīng)激，通過(guò)H₂O₂（與•OH相比相對(duì)穩(wěn)定）與亞鐵（Fe(II)）的芬頓反應(yīng)在肺部生成•OH [1]。
 
肺部和心血管疾病

ROS誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激被認(rèn)為是吸入空氣中PM顆粒導(dǎo)致健康并發(fā)癥的最重要原因之一。ROS可通過(guò)多種途徑引起或加劇肺部或心血管病癥。例如，脂質(zhì)過(guò)氧化會(huì)通過(guò)產(chǎn)生丙二醛導(dǎo)致肺部炎癥，丙二醛可使許多細(xì)胞蛋白失活，引起肺泡細(xì)胞壁破壞和肺氣腫的發(fā)展 [1]。這些活性醛類(lèi)通常被用作呼吸系統(tǒng)疾�。ㄈ鏑OPD和哮喘）中氧化應(yīng)激的生物標(biāo)志物 [2]。COPD還與由免疫細(xì)胞（如巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞）激活導(dǎo)致的ROS釋放有關(guān)。
 
研究表明，許多PM吸入成分可誘導(dǎo)氧化應(yīng)激，增加炎癥細(xì)胞因子的分泌，并激活肺部的芳香烴受體（AhR）系統(tǒng) [3]。一項(xiàng)研究對(duì)EPFR誘導(dǎo)的氧化劑損傷與肺上皮細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞因子增加之間的聯(lián)系機(jī)制進(jìn)行了考察。研究人員用亞毒性水平的EPFR處理人類(lèi)支氣管上皮細(xì)胞，并測(cè)量ROS和細(xì)胞因子的產(chǎn)生，結(jié)果表明，EPFR誘導(dǎo)的ROS的產(chǎn)生和氧化應(yīng)激導(dǎo)致生物分子氧化，產(chǎn)生可激活A(yù)hR的小分子代謝物 [4]。這種激活導(dǎo)致CYP1A1（一種氧化劑的產(chǎn)生酶和AhR生物標(biāo)記物）表達(dá)的增加，由此進(jìn)一步刺激細(xì)胞ROS的產(chǎn)生。該研究還得出結(jié)論，鑒于AhR在肺遠(yuǎn)端組織中的廣泛表達(dá)，以及這些代謝物全身循環(huán)的可能性，進(jìn)一步研究它們與心血管疾病的關(guān)聯(lián)機(jī)制，以有其它已知與PM吸入相關(guān)的疾病的聯(lián)系機(jī)制，將是十分有益的。
 
多項(xiàng)研究一致表明，暴露于超細(xì)PM會(huì)導(dǎo)致心臟病和心肺疾病的增加 [5]，但很少有研究調(diào)查顆粒物（尤其是EPFR）對(duì)心臟基礎(chǔ)功能的影響。相比普通超細(xì)PM，研究人員對(duì)與EPFR關(guān)聯(lián)的毒性特征頗有興趣。有研究發(fā)現(xiàn)，與惰性二氧化硅顆粒相比，吸入EPFR模型顆�？娠@著降低健康大鼠的基礎(chǔ)心臟功能，表現(xiàn)為搏出量、心輸出量和搏出功的降低 [6]。同時(shí)，舒張末期容積和舒張末期壓力也顯著降低，但心室收縮力和舒張力保持不變。通過(guò)測(cè)定C反應(yīng)蛋白（CRP），可以發(fā)現(xiàn)，這些EPFR還顯示出全身炎癥的產(chǎn)生以及大鼠左心室氧化應(yīng)激標(biāo)記物的增加。

這些實(shí)驗(yàn)首次表明，短期吸入EPFR可降低大鼠的左心室基礎(chǔ)功能，主要是由于肺血管阻力增加和顆粒介導(dǎo)的肺部炎癥。這類(lèi)研究正在邁出重要的一步，將進(jìn)一步加深我們對(duì)這些長(zhǎng)期存在于空氣中的自由基如何危害公共健康的理解。
 
檢測(cè)EPFR

檢測(cè)空氣中EPFR的能力對(duì)于研究空氣污染之于公眾健康的影響至關(guān)重要。電子順磁共振（EPR）波譜學(xué)是一種檢測(cè)具有不成對(duì)電子的物種的可靠技術(shù)，可在幾秒鐘內(nèi)收集數(shù)據(jù)，以確定物種的身份和定量信息。EPR能夠以非侵入性方式監(jiān)測(cè)環(huán)境PM中固有的短壽命自由基（ROS）和長(zhǎng)壽命EPFR的生成情況。EPR還可用于確定PM的氧化電位，這對(duì)于預(yù)測(cè)可能的不良健康影響至關(guān)重要。
 
根據(jù)EPR波譜特征（g因子），EPFR可被識(shí)別為O-中心半醌或C-中心多環(huán)芳烴（PAH）自由基。
   
圖1顯示了采用化學(xué)惰性二氧化硅作為基底粒子的替代粒子- EPFR系統(tǒng)的EPR光譜[2]。銅（II）氧化物（Cu(II)O）是過(guò)渡金屬氧化物，它可以促進(jìn)EPFR的形成，自由基2-單氯酚(MCP)由于其可以在Cu(II)O表面形成EPFR而被使用。為了更好地了解EPFR金屬氧化物顆粒對(duì)人類(lèi)支氣管上皮細(xì)胞的可能影響，我們對(duì)這種自由基顆粒系統(tǒng)（MCP230）進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，由于2-MCP與金屬氧化物之間的電子轉(zhuǎn)移，形成兩個(gè)順磁中心。該研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，MCP230比CuO /二氧化硅暴露時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)支氣管上皮細(xì)胞的毒性更強(qiáng)，這與更大的氧化應(yīng)激和脂質(zhì)過(guò)氧化有關(guān)。

EPFR也可以形成并存在于土壤。土壤中含有的過(guò)渡金屬可引發(fā)與空氣中同類(lèi)物質(zhì)的芬頓反應(yīng)，從而產(chǎn)生ROS。含有EPFRs的受污染土壤會(huì)以粉塵的形式飄散于空氣中，導(dǎo)致吸入性接觸，從而對(duì)健康造成不利影響。用于檢測(cè)、監(jiān)測(cè)和評(píng)估土壤中EPFRs對(duì)健康和環(huán)境影響的技術(shù)（如EPR波譜）極為重要（圖2）。EPR能夠監(jiān)測(cè)自由基信號(hào)，并確定其穩(wěn)定性和持久性，這對(duì)于加深對(duì)EPFR特性隨時(shí)間變化的理解至為關(guān)鍵。

 
對(duì)五氯酚（PCP）、多環(huán)芳烴（PAH）、多氯聯(lián)苯（PCB）和多溴聯(lián)苯醚（PBDE）等有害化合物污染土壤的實(shí)驗(yàn)顯示，十年至一個(gè)世紀(jì)前受污染的場(chǎng)地中仍含有自由基，這表明分子污染物會(huì)不斷形成EPFR [7]。先前的研究也將EPFR的形成歸因于PCP對(duì)過(guò)渡金屬的化學(xué)吸附和電子轉(zhuǎn)移，以及土壤中的其它電子冷阱 [8]。研究認(rèn)為，在不受控制的污染場(chǎng)所，含有受污染沉積物的水或因風(fēng)蝕而吸入的空氣粉塵可能會(huì)影響人類(lèi)的肺部和心血管健康。
 
有關(guān)EPFR的未來(lái)研究工作

除了目前關(guān)于EPFRs健康影響的研究工作外，還需要作進(jìn)一步的毒理學(xué)考察，從而確定生物標(biāo)記物以支持流行病學(xué)研究，并判斷目前和以往的暴露水平。其它病癥如糖尿病也可能與接觸EPFRs有關(guān)，因此這些機(jī)制也需要進(jìn)一步深入探討。最近的一項(xiàng)研究將妊娠期接觸EPFRs與大鼠骨骼肌能量消耗減少和線粒體損傷相聯(lián)系[9]，這可能對(duì)挖掘肥胖病理學(xué)機(jī)制產(chǎn)生影響。
 
通過(guò)闡明這些長(zhǎng)期存在的自由基的真正副作用，有助于制定更嚴(yán)格的污染法規(guī)，以防止疾病的發(fā)展。通過(guò)加深對(duì)EPFR的生物醫(yī)學(xué)研究，還有望為受EPFR影響的患者帶來(lái)更具針對(duì)性的治療。
 
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