大气颗粒物的化学组成和毒理学特征：来自体外和体内临床前模型的证据

PM10和PM2.5中纳米颗粒的毒性机制及环境健康影响研究。通过超声处理发现PM分解为<100nm纳米颗粒，含碳纳米结构和金属纳米颗粒。体外实验显示纳米颗粒使HEK293细胞存活率降低至35.05%-64.95%，并引发RAW264.7巨噬细胞ROS爆发。体内实验证实PM暴露导致小鼠肺泡炎症、血管损伤及细胞增殖异常。该研究揭示了纳米颗粒通过金属溶解和氧化应激的“木马机制”造成细胞毒性，为制定颗粒物防控策略提供依据。

　　

Nazrul Islam|Pankaj Barman|Kallol Roy|Madhulika Dutta|Abhishek Hazarika|Debashis Sarmah|Binud Attry|Tarun Gupta|Puja Khare|Prasenjit Saikia|Himangsu Koushik Bora|Rituraj Konwar|Binoy K. Saikia

印度坎普尔理工学院（IIT Kanpur）环境科学与工程中心（CESE）土木工程系，邮编208016，北方邦，印度

摘要

我们研究了粗颗粒物（PM₁₀）和细颗粒物（PM_2.5）中结合的碳纳米颗粒，对其表面化学性质、形态、地形和成分进行了分析，以了解它们对环境的毒理学影响。我们进行了全面的临床前毒理学研究，包括体外细胞毒性测试、氧化潜能评估以及体内实验，以评估这些环境颗粒物对健康的潜在风险。研究发现，PM₁₀和PM_2.5在水中超声处理时会分解成小于100纳米的纳米颗粒，这表明这些颗粒物由聚集的碳纳米结构和金属纳米颗粒组成。这些纳米颗粒可以被细胞吸收，导致人类肾上皮细胞（HEK-293）的活力分别下降64.95 ± 0.33%和45.14 ± 2.8%（剂量依赖性）。此外，这些颗粒物对小鼠来源的巨噬细胞系（RAW 264.7）也表现出显著的毒性作用，主要通过诱导细胞内活性氧（ROS）的激增。体内实验表明，颗粒物暴露会导致肺部毒性，表现为支气管肺泡灌洗液（BALF）中炎症细胞的浸润以及组织病理学变化，如血管炎、血管充血、上皮细胞损伤和肺泡细胞增生，这些变化突显了吸入颗粒物的危害性。本研究为提高公众意识和制定针对性的预防策略奠定了基础。

引言

大气颗粒物（PM₁₀和PM_2.5）污染在发达国家和发展中国家都在增加（Pande等人，2018年）。大量研究表明，大气颗粒物污染与人类健康不良后果之间存在密切关联（Dey和Di Girolamo，2011年）。然而，颗粒物发挥这些效应的具体机制仍在研究中，尚未完全明了。关于颗粒物成分及其来源因素的长期影响的流行病学和毒理学研究尚未提供足够证据来明确其对健康的多种影响（Park等人，2018年）。有观点认为，在决定是控制颗粒物的总质量还是特定成分更有效时，需要更深入地了解暴露与健康效应之间的关系（Park等人，2018年；Lippmann等人，2013年）。

大气中的颗粒物结合的纳米颗粒（如金属纳米颗粒和碳纳米颗粒）可以通过多种途径进入细胞，并常常在酸性溶酶体中积累。在这种环境下，某些金属纳米颗粒会溶解，释放出高浓度的金属离子。这使得颗粒结构能够将有毒离子有效地输送到细胞内，从而增加细胞内的离子浓度，这一过程被称为“特洛伊木马机制”（Horie等人，2009年）。由此产生的毒性通常是由活性氧（ROS）的产生驱动的，活性氧可通过类似芬顿反应（Paunovic等人，2020年）形成。体外实验表明，来自不同来源的颗粒物可导致DNA损伤和氧化应激，这些效应可能由可溶性金属、多环芳烃（PAHs）或颗粒物核心引起（Kodavanti等人，2002年）。此外，人类血细胞中的氧化DNA损伤与吸入超细颗粒物（小于100纳米的颗粒物）有关（Karlsson等人，2008年）。纳米颗粒和较大颗粒物都与细胞损伤和炎症有关，这些过程可能促进癌症的发生（Nishanth等人，2011年）。当活性氧超过身体的抗氧化能力时，就会发生氧化应激，破坏细胞的氧化还原平衡。因此，通过体外和体内研究了解颗粒物的排放来源、典型表面化学性质和毒理学特性对于评估颗粒物吸入的总体风险及其对人类健康的潜在影响至关重要。

因此，在本研究中，我们采用了电子显微镜和光谱技术等先进分析方法，详细分析了颗粒物的表面形态、地形和化学成分。随后，我们对这些颗粒物进行了生物学研究，以（1）研究印度东北部地区颗粒物对神经内分泌系统（NER）的污染影响，（2）探讨PM₁₀和PM_2.5对人类HEK293细胞系的氧化潜能，（3）使用白化小鼠模型在实验室规模上进行详细的体内毒理学评估，以评估颗粒物通过呼吸道进入人体的影响。通过将颗粒物毒性的病理结果联系起来，本研究旨在阐明氧化潜能的作用，以及体外和体内毒理学反应与健康效应之间的关系。因此，本研究的结果填补了相关研究领域的空白，揭示了颗粒物的化学性质及其对人类健康风险的全面影响。

章节摘录

大气颗粒物采样

2022年12月14日至2023年1月13日期间，在印度东北部的CSIR-NEIST校区及其周边地区进行了PM₁₀和PM_2.5的采样。研究区域面积约为2851平方公里，位于阿萨姆邦的布拉马普特拉河谷中心，海拔高度为116米。该地区地处东喜马拉雅山脉和东北喜马拉雅山脉之间，靠近重要基础设施，附近有国道

大气颗粒物负荷

测量得到的大气颗粒物（PM_2.5和PM₁₀浓度分别为98.56 ± 19.48 μg/m³和146.17 ± 45.61 μg/m³（见表S1）。这些数值反映了采样期间的颗粒物负荷水平，这符合典型城市交通污染环境的特点。24小时平均颗粒物负荷超过了印度国家空气质量标准（NAAQS）规定的60 μg/m

结论

本研究提供了关于纳米尺度不同类型颗粒物表面组成及其相关纳米结构的宝贵见解，包括环境空气中检测到的石墨碳、碳纳米管状结构、碳纳米洋葱状结构以及金属纳米颗粒。颗粒物结合的纳米颗粒中含有较高浓度的重金属，特别是在极端污染条件下锌（Zn）的富集尤为明显。此外，铅（Pb）和铬（Cr）也表现出一定的毒性作用

CRediT作者贡献声明

Nazrul Islam：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、数据可视化、方法验证、实验设计、数据分析、概念构建。Pankaj Barman：原始草稿撰写、数据可视化、方法验证、实验设计、数据分析、概念构建。Kallol Roy：数据可视化、方法验证、实验设计、数据分析。Madhulika Dutta：方法验证、实验设计、数据分析。Abhishek Hazarika：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者非常感谢CSIR-NEIST主任对这项大气颗粒物毒理学项目的支持。同时，我们也感谢MoEFCC（印度政府）和CSIR SRF（OLP-2504B、OLP-2407、OL-2503C）提供的资金支持，使该项目得以顺利进行。Nazrul Islam博士还感谢IIT Kanpur提供的IPDF奖学金、支持以及完成研究的许可。我们衷心感谢所有提供建设性和宝贵反馈的人士