结合细胞（细胞-颗粒）和非细胞（DTT）方法评估室内与室外PM2.5的毒性

《Environmental Pollution》：Combined cellular (Cells-on-Particles) and acellular (DTT) assessment of indoor vs outdoor PM 2.5 toxicity

本研究采用“细胞-颗粒物共培养”平台，结合DTT氧化活性检测，评估了室内外PM2.5的细胞毒性和氧化潜力。户外PM2.5表现出更强的剂量依赖性细胞毒性和更高的DTT活性，且二者呈显著负相关（R2分别为0.96和0.99），揭示氧化应激是主要毒性机制。室内PM2.5主要由户外渗入，证实了该平台在复杂气溶胶毒性评估中的有效性。

　　

Gaile Poceviciute|Violeta Kauneliene|Edvardas Bagdonas|Darius Ciuzas|Martynas Tichonovas|Jurgita Ovadnevaite|Monika Eimutyte|Dainius Martuzevicius

立陶宛考纳斯工业大学化学技术学院环境技术系

摘要

空气污染是由颗粒物和气体组成的复杂混合物，仅通过物理和化学方法对其进行表征可能无法完全捕捉其对健康的影响。评估污染物与活细胞的相互作用可以提供有关其潜在危害的补充见解。本研究采用了一种名为“Cells-on-Particles”的集成平台，利用人类支气管上皮BEAS-2B细胞来评估室内和室外PM_2.5的细胞毒性。在该模型中，细胞直接培养在收集到的气溶胶颗粒上，从而能够评估颗粒引起的细胞反应。生物测定法辅以无细胞二硫苏糖醇（DTT）测定法，后者可以量化颗粒的氧化活性并揭示其氧化还原特性。室内和室外的PM_2.5均表现出剂量依赖性的细胞毒性，其中室外颗粒的毒性更强，DTT活性也更高。观察到DTT活性与细胞存活率之间存在强烈的负线性关联（室内R² = 0.96；室外R² = 0.99），这与氧化活性在该数据集中观察到的细胞效应一致。在室内采样条件下，以及基于PM_2.5大小的选择性收集方式下，室内PM_2.5主要来源于室外细颗粒的渗透。室内外差异可能反映了颗粒的渗透过程及其在室内的停留时间。这些结果表明，将“Cells-on-Particles”暴露模型与DTT测定法相结合，为评估复杂气溶胶混合物的毒理学影响提供了一种综合的方法。

引言

空气污染和人类暴露于低质量空气中是最大的环境问题之一，全球约90%的人口呼吸着受污染的空气（世界卫生组织，2016年）。空气污染物是由颗粒物（即PM）和气体组成的复杂混合物，主要包括氮氧化物（NO_x）、二氧化硫（SO₂）、臭氧（O₃）、一氧化碳（CO）和挥发性有机化合物（VOCs）。PM是一种主要的空气污染物，它既可以直接排放产生，也可以通过大气中的化学反应（涉及SO_x、NO_x、VOCs和多环芳烃（PAHs）等气相化合物）形成（Zeb等人，2018年；Zhang等人，2015年）。此外，许多污染物（包括VOCs和PAHs）可以吸附在固体颗粒上（Dat和Chang，2017年；L. Yang等人，2021年），这些颗粒成为这些物质的载体，使它们能够在空气中传输，并可能促进其沉积到表面或被吸入呼吸系统。由于PM的形成途径多样且复杂，其化学组成也多种多样、动态变化，并且高度依赖于排放源和环境条件。

流行病学数据一致显示，PM浓度与不良健康效应之间存在密切关联，包括呼吸功能紊乱（Guo等人，2022年；Niu等人，2021年；Xing等人，2016年）、心血管疾病恶化（Aryal等人，2021年；Konduracka和Rostoff，2022年；Yu等人，2022年）以及对神经系统的影响（Babadjouni等人，2017年；Kim等人，2020年；Y. Wang等人，2017年），尽管其背后的机制仍然复杂且多因素。健康效应不仅取决于PM的质量浓度，还取决于其物理和化学性质，如颗粒大小、形状、表面积和化学组成。因此，仅监测质量或数量浓度可能无法充分反映其对人类健康的潜在影响。污染物与生物系统的相互作用，即在细胞和系统层面的毒性，可能更能代表它们对生物体的潜在不良影响。

污染物对细胞反应、氧化应激、炎症和基因损伤的影响通过体外、体内和计算机模拟模型进行评估。体外细胞模型特别有效，因为它们速度快且能够迅速展示毒理学结果（Abbas等人，2019年；Chen等人，2019年），尤其是在研究PM激活的细胞途径时。这些模型通常采用两种方法：间接法（浸没暴露）和直接法（气液界面）。直接气液界面方法将气溶胶颗粒直接沉积在培养的细胞上，模拟吸入污染物的沉积过程，同时保持颗粒的原始物理化学性质。相比之下，间接方法涉及将气溶胶颗粒收集在过滤器上，然后将其提取到液体培养基中，并将细胞暴露于提取物中（Gupta等人，2022年；Lovén等人，2021年）。这两种方法已应用于多种人类细胞系，最常见的是支气管和肺泡上皮细胞（Baptista等人，2021年；Rothen-Rutishauser等人，2008年），以及巨噬细胞（Erbel等人，2013年；Luque-martin等人，2021年），以评估细胞毒性反应。尽管这些方法具有优势，但它们也存在局限性。直接气液界面方法需要复杂的设备和实验程序，而间接浸没/提取方法主要评估可溶性颗粒成分，可能会低估总体细胞毒性。即使使用先进的体外模型，PM引起的细胞反应的全谱也往往只能部分反映出来，这突显了改进和更具代表性的细胞毒性评估技术的必要性。

细胞培养和气溶胶采样概念的结合促使了“Cells-on-Particles”细胞毒性平台的开发（Krugly等人，2023年；Martuzevicius等人，2023年）。该平台能够高效收集空气中的颗粒物，同时兼具气溶胶采样过滤器和体外细胞毒性评估系统的功能。这种做法改进了传统的浸没暴露方法，因为将细胞直接放置在收集到的气溶胶颗粒上可以保留重要的细胞毒性信息，从而比传统的“颗粒在细胞上”方法更准确地评估其健康影响。该平台已用于PM_2.5的收集和细胞毒性分析，提供了一种使用工程纳米颗粒（Krugly等人，2024年）和烟草烟雾气溶胶（Kauneliene等人，2024年）在单一系统中评估气溶胶颗粒毒性的简化方法。

与体外细胞模型结合使用，无细胞测定法常用于评估PM的氧化潜力（OP），即其催化活性氧（ROS）生成的能力，活性氧可激活多种毒性途径并导致不良健康效应，其中大多数与氧化还原失衡和氧化应激有关（L. Zhang等人，2022年）。已经开发了几种测定OP的方法，包括谷胱甘肽（GSH）消耗测定法、抗坏血酸（AA）测定法和二硫苏糖醇（DTT）测定法（Bates等人，2019a）。在这些方法中，DTT测定法因其敏感性、可重复性和生物学相关性而被广泛使用。它通过评估DTT的消耗量来定量OP，因其简单性、成本效益、快速读数和良好的环境可控性而受到青睐，并且其生理相关性得到了细胞测定的支持（Vimukthi等人，2025年；Wang等人，2019年；Yalamanchili等人，2022年）。该测定法量化了PM催化DTT氧化的速率，可作为氧化应激潜力和ROS生成的代理指标。

本研究采用了一种新的方法组合，即直接的体外“Cells-on-Particles”暴露模型与无细胞DTT测定法，对室内和室外气溶胶的颗粒毒性进行了全面评估。通过结合化学和生物学方法，本研究旨在评估来自不同环境的PM_2.5的氧化潜力和细胞效应。

“Cells on Particles”平台的更新

“Cells-on-Particles”平台将气溶胶颗粒采样与体外细胞毒性测试相结合（Kauneliene等人，2024年；Krugly等人，2023年）。作为气溶胶采样过滤器，该平台必须满足一些基本要求，包括高颗粒收集效率（≥99%）、适当的压降、机械稳定性、化学惰性和耐用性。对于细胞毒性测试，它必须具有适当的润湿性，无毒且与细胞生物相容，即能够支持细胞生长

“Cells-on-Particles”平台的设计和形态

这种三层微/纳米纤维平台专为收集气溶胶颗粒和进行细胞毒性评估而设计。底部宏观纤维层的改进使得纤维更细，基底层更加均匀和平滑。中间层和上层静电纺丝过程的延长增加了这些层的厚度以及整个平台的厚度，从而使表面更加均匀。平台的横截面如图3所示。

结论

更新后的“Cells-on-Particles”体外暴露模型成功用于评估室内和室外气溶胶中的PM_2.5细胞毒性。这种集成方法使BEAS-2B细胞能够直接暴露于收集到的颗粒上，保留了它们的原始物理和化学特性。该评估结果与DTT测定法进行了比较，后者被用作氧化活性的补充指标。

细胞毒性分析显示，细胞存活率随剂量增加而明显下降

CRediT作者贡献声明

Gaile Poceviciute：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究、数据管理。Violeta Kauneliene：撰写——审阅与编辑、数据管理。Edvardas Bagdonas：撰写——审阅与编辑、数据管理。Darius Ciuzas：验证、数据管理。Martynas Tichonovas：验证、数据管理。Jurgita Ovadnevaite：数据管理。Monika Eimutyte：研究、数据管理。Dainius Martuzevicius：撰写——审阅与编辑、监督、正式分析、数据管理。

手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT（OpenAI，GPT-5）来提高手稿的清晰度、语法和语言表达。使用该工具后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

资金来源

本研究未获得任何公共部门、商业部门或非营利组织的特定资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。