空氣顆粒物 ROS 研究進展：在線監測與 ALI 暴露解析

一、引言
空氣污染與健康之間的聯系，是當代環境健康研究的重要主題。尤其是 細顆粒物 (PM) 和 納米顆粒 (nanoparticles, NP)，其可能攜帶或生成多種具有氧化性的化學成分，誘發氧化應激 (oxidative stress)。其中，顆粒結合活性氧 (particle-bound reactive oxygen species, PB-ROS)，因其氧化性強、反應活躍，被認為是連接大氣化學特性與生物毒性效應的重要中介物。
然而，傳統多數研究采用離線濾膜采樣 + 后續體外毒理暴露，存在 時間分辨率低、短壽命 ROS 丟失、暴露條件與真實呼吸不一致 的局限。意大利科學家Francesca Costabile團隊近期發表的上述文獻通過一種綜合的 高時間分辨率監測 + 化學 / 來源分析 + 氣液界面 (ALI) 細胞暴露 方法（Association of PILS-based and filter-based particle-bound reactive oxygen species with urban nanoparticles, secondary organic aerosols, and in-vitro oxidative responses），為 PB-ROS 的環境行為與生物學效應提供了更為嚴謹的證據鏈。

二、方法與技術路線
PB-ROS 的雙重測量方法

• 在線測量 — PILS (Particle-Into-Liquid Sampler)
  • 通過將空氣中懸浮顆粒物溶解／轉入液相 (水) 中，并使用 DCFH 熒光法定量 PB-ROS。采樣分辨率為每 2 小時一次 。此方式稱為 PB-ROSₚᵢₗₛ。
  • 由于時分辨率高，有利于捕捉環境中短壽命、瞬時 / 暴發 (spikes) 型 ROS。
• 濾膜離線采樣 (PTFE filter)
  • 對 PM₁ (細至 1 μm) 顆粒進行 24 小時累積采樣，然后濾膜提取 (水提取) 后進行 DCFH 測定。此方式稱為 PB-ROS₍filter₎。
  • 更適合捕獲長期積累 / 穩定 / “老化”后的 ROS 或氧化性組分 (long-lived species)，但對短壽命 ROS 的敏感性較低。

通過這兩種方式的對比，研究能夠區分“短壽命 / 瞬態 PB-ROS” 與“累積 / 穩定 PB-ROS”，從而反映大氣中不同條件下顆粒物的 ROS 特性。

• 化學組分 / 氣溶膠 / 大氣過程 & 來源解析

研究同時監測 城市納米顆粒濃度 (urban NP)、二次有機氣溶膠 (SOA)、以及關鍵大氣過程參數 (如 “condensation sink”)。文中指出，當 condensation sink 較低時 (即大氣中可凝結前體不易快速沉積至已有大顆粒)，短壽命 PB-ROS 反而更可能維持在納米顆粒中；換句話說，大氣動力學條件 (氣溶膠狀態、濕度、前體濃度) 對 PB-ROS 存在與穩定起決定作用。

• 生物學驗證 — ALI 暴露與細胞響應

研究采用CULTEX RFS 氣液界面 (Air–Liquid Interface, ALI) 模型體外暴露，將人支氣管上皮細胞 (BEAS-2B) 培養于 Transwell，上方暴露于真實城市空氣 (含顆粒物 + 氣態污染 + PB-ROS 等)，而非傳統將顆粒物溶解/懸浮于培養液中暴露。隨后測量了 氧化應激相關基因 (oxidative stress markers) / 細胞反應。文中結果顯示，PB-ROSₚᵢₗₛ (在線測量) 與細胞氧化應激表達水平顯著相關，但 PB-ROS₍filter₎ (離線累積) 則不顯著。

三、研究核心發現在線高時分辨 PB-ROSₚᵢₗₛ 能揭示環境中短壽命、動態的氧化活性 ROS，而濾膜法主要捕捉穩定 / 老化 ROS — 兩者代表不同環境過程和健康風險。
 
 PB-ROSₚᵢₗₛ 與 PB-ROS₍filter₎ 隨時間 (多個采樣周期) 的濃度變化 (時間序列)，同時疊加城市納米顆粒 (urban NP) 濃度與大氣 SOA / 氣溶膠狀態 / condensation sink / 其他氣象 /氣溶膠參數 (視子圖而定)。

• PB-ROSₚᵢₗₛ 出現明顯的“尖峰 (spikes)” — 短壽命、高活性 ROS — 并且這些峰值多與城市納米顆粒濃度 (NP) 上升同步。作者認為，這表明 短壽命 PB-ROS 的生成主要與城市納米顆粒 (新排放 / 新生成) 的濃度/動態密切相關。
• PB-ROS₍filter₎ 的濃度則遠低 (多數采樣周期比 PILS 低 > 90%)，并且變化平緩、不呈尖峰，主要代表 “老化 / 積累 / 穩定 / 長壽命” 的 ROS 或氧化組分，這類 PB-ROS 更可能與 SOA / 穩定氣溶膠模態 (accumulation mode / aged aerosol) 相關。
• 作者進一步指出，當 condensation sink 較低 時 (大氣中前體不易快速沉積到已有大顆粒)，短壽命 PB-ROS 保持高濃度，這說明大氣條件 (濕度、前體濃度、氣溶膠狀態) 對 PB-ROS 持存 / 生成 有決定性作用。
• 真正對健康風險有貢獻的，可能是短壽命 / 瞬態 PB-ROS，而非濾膜常規測量所關注的累積 / 老化 ROS。

 
PB-ROS (PILS 和 Filter) 與 ALI 細胞暴露后 BEAS-2B 細胞氧化應激相關基因表達 / 生物學響應 (oxidative stress markers) 之間的關系 (scatter plot + regression / correlation analysis)。其原文分析指出：

• PB-ROSₚᵢₗₛ (在線測量) 與細胞氧化應激指標呈顯著正相關，說明短壽命 / 瞬態 ROS 的存在與細胞生物反應 (氧化應激) 有強關聯，是可能具有較高生物毒性的組分。
• 相比之下，PB-ROS₍filter₎ (濾膜累積) 與細胞反應無顯著相關性 (或相關性很弱)，表明那部分穩定 / 老化 ROS 的毒性 /即時生物活性遠低于短壽命 PB-ROS。
• 作者強調：使用 PILS 在線測量結合 ALI 暴露系統，比傳統濾膜 + 懸浮暴露更適合評估空氣污染中真實存在的、對呼吸道細胞具有實際影響的 ROS。

結論
研究證實了 PB-ROS 與城市納米顆粒物誘導的體外氧化應激響應存在關聯，核心結論如下：

• 長壽命 PB-ROS 的濃度較瞬態 PB-ROS 降低 90% 以上；
• 瞬態 PB-ROS 與城市納米顆粒物具有相關性；
• 長壽命 PB-ROS 與二次有機氣溶膠存在相關性；
• 瞬態 PB-ROS 與人體細胞系的氧化應激反應相關聯。

四、研究意義與對國內研究的啟示

• 方法學創新
  • 文獻通過雙通道 (PILS + filter) PB-ROS 測量與高時間分辨率監測，區分不同壽命 / 活性的 ROS 組分。
  • 結合大氣化學 / 來源 /氣溶膠過程 (如 condensation sink, NP 動態, SOA 分布) 提供了 ROS 生成 / 轉化 / 保持的全過程分析。
  • 利用 ALI 細胞暴露模型 + 在線 PB-ROS，實現環境 → 化學 → 生物效應的完整鏈條。
• 對健康風險評估的影響
  • 傳統只測 PM 質量濃度 (如 PM₁, PM₂.₅) 或總氧化潛能 (OP) / 濾膜 PB-ROS，很可能低估了空氣中短壽命 / 瞬態 ROS 的存在與危害。
  • 高時間分辨率 + 生物暴露 (ALI) 的方法更貼近真實暴露情境，可能更準確反映呼吸道暴露風險。
• 對國內研究的啟發
  • 國內環境污染復雜 (交通、工業、二次氣溶膠、氣象條件多變)，短壽命 PB-ROS 很可能在污染高峰 / 納米顆粒濃度上升期頻繁出現。
  • 未來國內開展類似研究：構建 PILS 在線 PB-ROS 測量 + 氣溶膠 / 化學 / 來源 / 大氣條件監測 + ALI 暴露 + 細胞 /毒理評估 的綜合體系，以更準確評估空氣污染健康風險。
  • 同時注意大氣條件 (濕度、condensation sink、顆粒 hygroscopicity 等) 對 PB-ROS 存在與穩定的重要影響。