空氣顆粒物 ROS 研究進(jìn)展：在線監(jiān)測(cè)與 ALI 暴露解析

一、引言
空氣污染與健康之間的聯(lián)系，是當(dāng)代環(huán)境健康研究的重要主題。尤其是 細(xì)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(xué)成分，誘發(fā)氧化應(yīng)激 (oxidative stress)。其中，顆粒結(jié)合活性氧 (particle-bound reactive oxygen species, PB-ROS)，因其氧化性強(qiáng)、反應(yīng)活躍，被認(rèn)為是連接大氣化學(xué)特性與生物毒性效應(yīng)的重要中介物。
然而，傳統(tǒng)多數(shù)研究采用離線濾膜采樣 + 后續(xù)體外毒理暴露，存在 時(shí)間分辨率低、短壽命 ROS 丟失、暴露條件與真實(shí)呼吸不一致 的局限。意大利科學(xué)家Francesca Costabile團(tuán)隊(duì)近期發(fā)表的上述文獻(xiàn)通過一種綜合的 高時(shí)間分辨率監(jiān)測(cè) + 化學(xué) / 來源分析 + 氣液界面 (ALI) 細(xì)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(huán)境行為與生物學(xué)效應(yīng)提供了更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖C據(jù)鏈。

二、方法與技術(shù)路線
PB-ROS 的雙重測(cè)量方法

• 在線測(cè)量 — PILS (Particle-Into-Liquid Sampler)
  • 通過將空氣中懸浮顆粒物溶解／轉(zhuǎn)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(shí)一次 。此方式稱為 PB-ROSₚᵢₗₛ。
  • 由于時(shí)分辨率高，有利于捕捉環(huán)境中短壽命、瞬時(shí) / 暴發(fā) (spikes) 型 ROS。
• 濾膜離線采樣 (PTFE filter)
  • 對(duì) PM₁ (細(xì)至 1 μm) 顆粒進(jìn)行 24 小時(shí)累積采樣，然后濾膜提取 (水提取) 后進(jìn)行 DCFH 測(cè)定。此方式稱為 PB-ROS₍filter₎。
  • 更適合捕獲長(zhǎng)期積累 / 穩(wěn)定 / “老化”后的 ROS 或氧化性組分 (long-lived species)，但對(duì)短壽命 ROS 的敏感性較低。

通過這兩種方式的對(duì)比，研究能夠區(qū)分“短壽命 / 瞬態(tài) PB-ROS” 與“累積 / 穩(wěn)定 PB-ROS”，從而反映大氣中不同條件下顆粒物的 ROS 特性。

• 化學(xué)組分 / 氣溶膠 / 大氣過程 & 來源解析

研究同時(shí)監(jiān)測(cè) 城市納米顆粒濃度 (urban NP)、二次有機(jī)氣溶膠 (SOA)、以及關(guān)鍵大氣過程參數(shù) (如 “condensation sink”)。文中指出，當(dāng) condensation sink 較低時(shí) (即大氣中可凝結(jié)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(dòng)力學(xué)條件 (氣溶膠狀態(tài)、濕度、前體濃度) 對(duì) PB-ROS 存在與穩(wěn)定起決定作用。

• 生物學(xué)驗(yàn)證 — ALI 暴露與細(xì)胞響應(yīng)

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(xì)胞 (BEAS-2B) 培養(yǎng)于 Transwell，上方暴露于真實(shí)城市空氣 (含顆粒物 + 氣態(tài)污染 + PB-ROS 等)，而非傳統(tǒng)將顆粒物溶解/懸浮于培養(yǎng)液中暴露。隨后測(cè)量了 氧化應(yīng)激相關(guān)基因 (oxidative stress markers) / 細(xì)胞反應(yīng)。文中結(jié)果顯示，PB-ROSₚᵢₗₛ (在線測(cè)量) 與細(xì)胞氧化應(yīng)激表達(dá)水平顯著相關(guān)，但 PB-ROS₍filter₎ (離線累積) 則不顯著。

三、研究核心發(fā)現(xiàn)在線高時(shí)分辨 PB-ROSₚᵢₗₛ 能揭示環(huán)境中短壽命、動(dòng)態(tài)的氧化活性 ROS，而濾膜法主要捕捉穩(wěn)定 / 老化 ROS — 兩者代表不同環(huán)境過程和健康風(fēng)險(xiǎn)。
 
 PB-ROSₚᵢₗₛ 與 PB-ROS₍filter₎ 隨時(shí)間 (多個(gè)采樣周期) 的濃度變化 (時(shí)間序列)，同時(shí)疊加城市納米顆粒 (urban NP) 濃度與大氣 SOA / 氣溶膠狀態(tài) / condensation sink / 其他氣象 /氣溶膠參數(shù) (視子圖而定)。

• PB-ROSₚᵢₗₛ 出現(xiàn)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(rèn)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(dòng)態(tài)密切相關(guān)。
• PB-ROS₍filter₎ 的濃度則遠(yuǎn)低 (多數(shù)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(wěn)定 / 長(zhǎng)壽命” 的 ROS 或氧化組分，這類 PB-ROS 更可能與 SOA / 穩(wěn)定氣溶膠模態(tài) (accumulation mode / aged aerosol) 相關(guān)。
• 作者進(jìn)一步指出，當(dāng) condensation sink 較低 時(shí) (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(tài)) 對(duì) PB-ROS 持存 / 生成 有決定性作用。
• 真正對(duì)健康風(fēng)險(xiǎn)有貢獻(xiàn)的，可能是短壽命 / 瞬態(tài) PB-ROS，而非濾膜常規(guī)測(cè)量所關(guān)注的累積 / 老化 ROS。

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

• PB-ROSₚᵢₗₛ (在線測(cè)量) 與細(xì)胞氧化應(yīng)激指標(biāo)呈顯著正相關(guān)，說明短壽命 / 瞬態(tài) ROS 的存在與細(xì)胞生物反應(yīng) (氧化應(yīng)激) 有強(qiáng)關(guān)聯(lián)，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(xì)胞反應(yīng)無顯著相關(guān)性 (或相關(guān)性很弱)，表明那部分穩(wěn)定 / 老化 ROS 的毒性 /即時(shí)生物活性遠(yuǎn)低于短壽命 PB-ROS。
• 作者強(qiáng)調(diào)：使用 PILS 在線測(cè)量結(jié)合 ALI 暴露系統(tǒng)，比傳統(tǒng)濾膜 + 懸浮暴露更適合評(píng)估空氣污染中真實(shí)存在的、對(duì)呼吸道細(xì)胞具有實(shí)際影響的 ROS。

結(jié)論
研究證實(shí)了 PB-ROS 與城市納米顆粒物誘導(dǎo)的體外氧化應(yīng)激響應(yīng)存在關(guān)聯(lián)，核心結(jié)論如下：

• 長(zhǎng)壽命 PB-ROS 的濃度較瞬態(tài) PB-ROS 降低 90% 以上；
• 瞬態(tài) PB-ROS 與城市納米顆粒物具有相關(guān)性；
• 長(zhǎng)壽命 PB-ROS 與二次有機(jī)氣溶膠存在相關(guān)性；
• 瞬態(tài) PB-ROS 與人體細(xì)胞系的氧化應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)聯(lián)。

四、研究意義與對(duì)國(guó)內(nèi)研究的啟示

• 方法學(xué)創(chuàng)新
  • 文獻(xiàn)通過雙通道 (PILS + filter) PB-ROS 測(cè)量與高時(shí)間分辨率監(jiān)測(cè)，區(qū)分不同壽命 / 活性的 ROS 組分。
  • 結(jié)合大氣化學(xué) / 來源 /氣溶膠過程 (如 condensation sink, NP 動(dòng)態(tài), SOA 分布) 提供了 ROS 生成 / 轉(zhuǎn)化 / 保持的全過程分析。
  • 利用 ALI 細(xì)胞暴露模型 + 在線 PB-ROS，實(shí)現(xiàn)環(huán)境 → 化學(xué) → 生物效應(yīng)的完整鏈條。
• 對(duì)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的影響
  • 傳統(tǒng)只測(cè) PM 質(zhì)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(tài) ROS 的存在與危害。
  • 高時(shí)間分辨率 + 生物暴露 (ALI) 的方法更貼近真實(shí)暴露情境，可能更準(zhǔn)確反映呼吸道暴露風(fēng)險(xiǎn)。
• 對(duì)國(guó)內(nèi)研究的啟發(fā)
  • 國(guó)內(nèi)環(huán)境污染復(fù)雜 (交通、工業(yè)、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(xiàn)。
  • 未來國(guó)內(nèi)開展類似研究：構(gòu)建 PILS 在線 PB-ROS 測(cè)量 + 氣溶膠 / 化學(xué) / 來源 / 大氣條件監(jiān)測(cè) + ALI 暴露 + 細(xì)胞 /毒理評(píng)估 的綜合體系，以更準(zhǔn)確評(píng)估空氣污染健康風(fēng)險(xiǎn)。
  • 同時(shí)注意大氣條件 (濕度、condensation sink、顆粒 hygroscopicity 等) 對(duì) PB-ROS 存在與穩(wěn)定的重要影響。