《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Quercetin mitigates cardiovascular injury induced by subchronic exposure to PM
2.5 and O
3 via modulation of lipid metabolism and MAPK signaling
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为探索PM2.5与O3联合暴露对心血管健康的影响及潜在干预策略，研究人员开展了主题为“槲皮素通过调节脂质代谢和MAPK信号通路缓解PM2.5和O3亚慢性暴露所致心血管损伤”的动物实验研究。研究结果证实，亚慢性PM2.5和O3联合暴露可加重小鼠心脏损伤并加速动脉粥样硬化进程，而植物来源的类黄酮抗氧化剂槲皮素能通过调控磷脂酰胆碱代谢及MAPK等通路发挥显著的心血管保护作用。该研究为缓解空气污染相关心血管健康风险提供了新的干预思路和理论依据。
我们呼吸的空气，是生命的必需品，却也潜藏着看不见的健康威胁。细颗粒物（PM2.5）和臭氧（O3）是当今备受关注的两种主要空气污染物。大量流行病学证据表明，暴露于这些污染物与心血管疾病（CVD）发病和死亡风险的升高密切相关，已成为全球重大的公共卫生负担。然而，在现实环境中，人们往往同时暴露于多种污染物的混合物中，而非单一的PM2.5或O3。这两种污染物联合作用时，对心血管系统会产生怎样的“叠加”或“协同”毒性？其背后的分子机制究竟是什么？更重要的是，面对这种普遍存在的环境健康风险，我们能否从自然界中寻找安全有效的干预物质来提供保护？这些问题构成了当前环境健康领域亟待解答的科学难题。
为了深入探究上述问题，由Peiyu Zhu、Shenshen Zhu、Yacong Bo、Feifei Feng、Weidong Wu、Demin Feng、Ling Li、Yuefei Jin和Guangcai Duan组成的研究团队开展了一项系统的动物实验研究，相关成果发表在环境科学领域知名期刊《Ecotoxicology and Environmental Safety》上。他们的研究不仅揭示了PM2.5和O3联合暴露导致心脏损伤和加速动脉粥样硬化的新机制，更重要的是，发现天然植物化合物槲皮素能通过调节脂质代谢和关键信号通路，有效缓解这种污染引发的损伤，为开发针对空气污染相关性心血管疾病的营养干预策略提供了重要的实验依据。
本研究综合运用了多种关键技术方法。动物模型方面，研究使用了C57BL/6J野生型小鼠评估污染物暴露的毒性，并构建了ApoE-/-基因敲除小鼠的动脉粥样硬化模型，以模拟人类疾病进程。PM2.5样品采集自郑州大学校园。在体评估技术包括：通过检测血浆中心肌酶（如CK、CK-MB、LDH）和氧化应激标志物（如MDA、GSH）来量化心脏损伤；采用苏木精-伊红（H&E）染色、天狼星红（Sirus Red）染色和马松（Masson）三色染色进行心脏组织病理学分析，观察心肌细胞肥大、炎症浸润及胶原纤维沉积；通过油红O（Oil Red O）染色评估主动脉粥样硬化斑块负荷。分子机制探察技术则涵盖了：蛋白质印迹法（Western blotting）检测MAPK信号通路关键蛋白（p38, ERK1/2, JNK）的磷酸化水平；实时荧光定量PCR（qPCR）分析炎症因子、细胞外基质相关基因及凋亡相关基因的转录水平；免疫荧光染色检测心肌细胞凋亡标志物Cleaved-caspase-3的表达。此外，研究还采用了非靶向脂质组学（untargeted lipidomics）分析血清脂质代谢物变化，以及转录组学（RNA sequencing）测序分析心脏组织的基因表达谱，并通过生物信息学方法进行通路富集分析和数据关联整合，从而系统阐明槲皮素的保护作用机制。
研究结果部分通过一系列严谨的实验，层层深入地揭示了污染物暴露的危害及槲皮素的保护作用。
3.1. 亚慢性PM2.5和O3联合暴露加剧小鼠心脏损伤
研究人员首先发现，与单独暴露于PM2.5或O3相比，两者联合暴露能引起更显著的心肌酶（CK, CK-MB, LDH, LDH1）水平升高和氧化应激标志物（GRAC, GSH, MDA, T-SOD）异常。组织学分析进一步显示，联合暴露导致了更明显的心肌细胞肥大和炎症细胞浸润，表明联合暴露对心脏的损伤具有协同加剧效应。
3.2. 亚慢性PM2.5和O3联合暴露加剧小鼠心脏纤维化
研究进一步探讨了对心脏结构的影响。qPCR结果显示，联合暴露显著上调了心脏中细胞外基质相关蛋白CTNI以及多种基质金属蛋白酶（MMP2, MMP8, MMP9, MMP13）的转录水平。天狼星红和马松染色直观地证实，联合暴露组小鼠心脏出现了更严重的胶原沉积和炎症渗出，这与多种胶原基因（如col5a2, col8a1）转录水平的上调相一致，说明污染物暴露促进了心肌纤维化的进程。
3.3. 亚慢性PM2.5和O3联合暴露加剧小鼠心脏细胞凋亡和炎症
在分子机制层面，研究发现联合暴露显著提升了心脏中多种炎症因子（IL-6, TNF-α, MCP-1, IL-1β, CXCL1）的mRNA水平，并激活了p38 MAPK、ERK1/2和JNK信号通路的磷酸化。同时，促凋亡基因表达增加，免疫荧光显示心脏中凋亡细胞（Cleaved-caspase-3阳性）数量显著上升。这些结果表明，炎症信号通路过度激活和细胞凋亡增加是污染物导致心脏损伤的核心机制之一。
3.4. 槲皮素治疗减轻了经受PM2.5和O3亚慢性联合暴露的ApoE-/-小鼠的动脉粥样硬化性改变
在明确了损伤机制后，研究转向干预评估。在ApoE-/-动脉粥样硬化模型小鼠中，槲皮素干预显著减少了由PM2.5和O3联合暴露诱发的主动脉脂质斑块面积。同时，槲皮素有效降低了暴露引起的心肌酶水平升高，并改善了心肌细胞肥大和组织病理学评分，表明其能缓解污染物导致的心脏直接损伤。
3.5. 槲皮素治疗减轻了经受PM2.5和O3亚慢性联合暴露的ApoE-/-小鼠的心脏纤维化
槲皮素同样展现出抗纤维化作用。它能下调由污染物暴露引起的心脏CTNI、MMP2、MMP8、MMP9等基因的过表达。组织染色结果证实，槲皮素处理减少了心脏中的胶原沉积和炎症渗出，并下调了多种胶原基因的转录水平，说明槲皮素能够逆转污染物导致的心肌纤维化进程。
3.6. 槲皮素治疗减轻了经受PM2.5和O3亚慢性联合暴露的ApoE-/-小鼠的心脏细胞凋亡和炎症
在抗炎和抗凋亡方面，槲皮素降低了心脏中TNF-α、MCP-1、CXCL1等炎症因子的表达，并抑制了p38、ERK1/2和JNK信号通路的磷酸化激活（尤其对JNK的抑制更明显）。同时，槲皮素调节了凋亡相关基因的表达，并减少了心脏中凋亡细胞的数量，从多途径缓解了污染物引发的心脏炎症和细胞死亡。
3.7. 脂质组学和转录组学揭示了槲皮素对亚慢性PM2.5和O3暴露的心血管保护作用
为系统阐明槲皮素的作用机制，研究采用了组学技术进行整合分析。血清脂质组学发现，槲皮素干预引起了1291种代谢物的变化，其中96种差异代谢物主要涉及甘油磷脂代谢、脂肪酸代谢、凋亡和炎症等功能。关键差异脂质包括磷脂酰胆碱（PC）、磷脂酰乙醇胺（PE）、溶血磷脂酰胆碱（LPC）、鞘磷脂（SM）、甘油三酯（TG）等。心脏转录组学则鉴定出39个差异表达基因，京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析显示，这些基因显著富集于炎症因子、PI3K-Akt信号、MAPK信号、细胞因子-细胞因子受体相互作用等通路。进一步的相关性分析发现，心脏中的关键差异基因（如Tnfrsf11b, Bmp10）与血清中的特征性脂质代谢物（如PC(44:6)、LPC(22:6)）之间存在显著相关性。这些组学数据从系统和网络层面证实，槲皮素是通过协同调控脂质代谢重编程和炎症/凋亡相关信号通路，来发挥其心血管保护作用的。
综合全文，本研究得出明确结论：亚慢性暴露于PM2.5和O3，尤其是两者联合暴露，会通过诱发氧化应激、激活MAPK炎症信号通路、上调基质金属蛋白酶表达等机制，导致心肌纤维化、炎症细胞浸润和心肌细胞凋亡，从而加重心脏损伤并加速动脉粥样硬化进展。而来源于植物的天然类黄酮化合物——槲皮素，则能作为一种有效的干预剂。它主要通过调节血清中的磷脂酰胆碱（PC）等脂质代谢谱，并抑制p38 MAPK、JNK等关键炎症/凋亡信号通路的过度激活，来减轻污染物引起的心肌纤维化、炎症反应和细胞凋亡，最终改善心脏结构重塑和功能损伤。
这项研究的重要意义在于，它首次在动物模型中系统揭示了PM2.5与O3联合暴露相比单一污染物更具危害性的协同效应及其分子机制图谱，弥补了该领域的研究空白。更重要的是，研究不仅停留在揭示问题层面，更进一步提出了基于天然产物的解决方案。它从“药食同源”的角度出发，证实了广泛存在于水果、蔬菜和茶叶中的槲皮素，具有成为缓解空气污染相关心血管疾病风险的膳食补充剂或干预药物的巨大潜力。这为生活在高污染地区的人群提供了通过调整饮食结构或进行营养干预来主动防护心血管健康的新思路。该研究将环境毒理学、心血管病理学和营养干预研究紧密结合，其发现对于制定公共卫生策略、开发功能性食品或药物先导化合物以应对日益严峻的空气污染健康挑战，具有重要的理论和实践价值。
