室内气溶胶破坏血脑屏障并加速β-淀粉样蛋白聚集的机制研究

为揭示环境因素在神经退行性疾病中的潜在作用，本文聚焦室内空气污染与阿尔茨海默病的关联。研究人员深入探究了室内气溶胶关键组分PM2.5和金黄色葡萄球菌如何破坏血脑屏障（BBB）并加速β-淀粉样蛋白（Aβ）聚集成神经毒性寡聚体与纤维，从而加剧AD病理进程。研究发现，PM2.5和S. aureus可独立或协同导致BBB渗漏，并显著促进Aβ聚集。该工作揭示了室内污染物作为AD环境驱动因素的新机制，为理解AD病因和制定干预策略提供了重要科学依据。

　　

想象一下，我们一生中约有90%的时间在室内度过，无论是温馨的家、忙碌的办公室还是其他密闭空间。然而，这些看似安全的环境，其空气质量却可能潜藏着不为人知的健康威胁。阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）作为一种全球高发的神经退行性疾病，给患者家庭和社会带来了沉重的负担。传统上，其病因多归咎于遗传和年龄因素，但近年来，科学家们越来越关注环境暴露，特别是我们长时间接触的室内空气污染，在疾病发生发展中扮演的角色。室内气溶胶是一种复杂的混合物，其中直径小于2.5微米的细颗粒物（PM_2.5）和诸如金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus, S. aureus）等微生物是其重要组成部分。这些微小的颗粒和细菌一旦被吸入，有可能进入血液循环，并最终抵达我们最精密的器官——大脑。大脑有一道重要的“长城”保护，即血脑屏障（blood-brain barrier, BBB），它严格控制物质进出，维持大脑内环境的稳定。BBB的破坏被认为是包括AD在内的多种神经系统疾病的早期事件。那么，室内气溶胶中的PM_2.5和S. aureus是否会攻击这道“长城”？它们是否会与AD的关键病理蛋白——β-淀粉样蛋白（β-amyloid, Aβ）相互作用，形成一个恶性循环，加速疾病进程？这些问题正是由来自济南大学生物科学与技术学院的Jinping Wang、Baoteng Wang、Kunpeng Zhu、Jiaxing Zhang、Guoying Zhang、Shankui Liu、Wijayalath Pedige Dasun Vimukthi、Yanlin Zhang、Fang Cao、Chi Yang、Xiao Sun等研究人员在《Journal of Advanced Research》上发表的研究论文所要解答的核心。

为了系统回答这些问题，研究人员运用了多学科交叉的技术手段。他们首先从真实的室内环境（靠近交通要道的客厅）中，使用智能采样器和空气微生物采样器分别收集了PM_2.5和微生物样本，并通过扫描电子显微镜（SEM）、16S rRNA基因测序等手段对其进行了物理化学和生物学表征。在机制探究层面，研究构建了体外血脑屏障模型（将人脑微血管内皮细胞HBMVECs和正常人星形胶质细胞NHA共培养于Transwell小室），并利用免疫荧光成像、通透性实验（Transwell assay）和蛋白质印迹（Western blot）技术，评估了PM₅和S. aureus对BBB完整性及紧密连接/黏附连接蛋白表达的影响。为了探究气溶胶组分对AD核心病理的影响，他们采用了硫黄素T（ThT）动力学实验和圆二色谱（CD）光谱学，监测了PM_2.5和S. aureus对Aβ聚集过程的加速作用。最后，研究通过体内实验（使用BALB/c小鼠模型），采用肺灌注PM_2.5联合尾静脉注射Aβ或S. aureus的方法，结合伊文思蓝染料渗出、器官荧光成像及组织病理学（H&E和免疫荧光）染色，在活体水平验证了PM_2.5/S. aureus与Aβ协同破坏BBB并导致Aβ脑内渗漏的结论。

室内气溶胶的表征

研究人员成功采集并表征了室内气溶胶的主要成分。PM_2.5颗粒平均尺寸为112.75 ± 35.41纳米，表面带负电，并含有可溶性铁离子（Fe(II)/Fe(III)）和活性氧物质（ROS）。从空气中分离出的主要可培养微生物为大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。这些特性表明，采集的PM_2.5尺寸足以深入呼吸道并可能易位入血，而其含有的氧化还原活性成分（如铁离子）与AD病理中已知的铁离子紊乱存在潜在关联。

气溶胶增强Aβ单体聚集

该部分研究揭示了PM_2.5和S. aureus如何作为“催化剂”加速AD的病理进程。透射电镜（TEM）图像显示，PM_2.5和S. aureus处理能显著加速Aβ从单体向寡聚体、聚合物乃至成熟纤维的转化，并导致形成的纤维直径更大。圆二色谱分析证实，PM_2.5诱导下Aβ肽更快地呈现出β-折叠构象，这是淀粉样纤维形成的特征。硫黄素T动力学实验进一步定量表明，PM_2.5和S. aureus以浓度依赖的方式显著缩短了Aβ聚集达到半最大效应的时间（ET₅₀），降低了成核能垒。这些结果说明，室内气溶胶成分能直接促进神经毒性Aβ聚集体的形成。

PM_2.5和S. aureus诱导血脑屏障模型渗漏

通过构建的体外BBB模型，研究发现PM_2.5和S. aureus能剂量依赖性地破坏内皮细胞间的连接，形成间隙，增加屏障通透性。机制上，这种破坏主要通过两种途径实现：一是诱导细胞内ROS水平升高，造成氧化损伤；二是直接下调关键的紧密连接蛋白（如闭锁小带蛋白-1 (ZO-1)、闭合蛋白 (occludin)、密封蛋白-5 (claudin-5)）和黏附连接蛋白（如VE-钙黏蛋白 (VE-cadherin)）的表达。使用抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸（NAC）预处理可部分减轻由ROS介导的屏障破坏，但无法完全消除PM_2.5颗粒本身引起的渗漏，表明纳米颗粒的直接物理干扰也起重要作用。同时，PM_2.5和S. aureus对构成BBB的内皮细胞、星形胶质细胞以及神经元模型细胞（SH-SY5Y）均表现出细胞毒性。

PM_2.5、S. aureus和Aβ在体外协同诱导血脑屏障渗漏

当PM_2.5或S. aureus与Aβ联合作用时，对BBB的破坏呈现显著的协同效应。与单独处理相比，PM_2.5+Aβ或S. aureus+Aβ处理导致BBB模型中出现更大、更多的细胞间隙，屏障通透性也显著高于各组分效应简单相加之和。这表明，气溶胶成分不仅自身破坏BBB，还能通过与Aβ的相互作用，极大地加剧屏障功能障碍。同时，联合处理对神经元的毒性也更强。

PM_2.5+Aβ和S. aureus+Aβ在体内诱导血脑屏障渗漏

体内实验有力地支持了体外发现。小鼠模型显示，单独肺灌注PM_2.5或尾静脉注射S. aureus或Aβ，均能导致大脑中伊文思蓝染料渗出增加，表明BBB通透性增高。而当PM_2.5与Aβ，或S. aureus与Aβ联合暴露时，大脑中的染料渗出及Aβ免疫荧光信号显著增强，显示出协同破坏作用。此外，PM_2.5+Aβ处理还引起了肺、心等其他器官的血管通透性增加，以及脑组织出现神经元损伤迹象。H&E染色也观察到PM_2.5+Aβ组小鼠脑组织和肺部存在炎症细胞浸润等病理改变。

本研究通过系统的体外和体内实验，确立了室内气溶胶中的PM_2.5和金黄色葡萄球菌是破坏血脑屏障和加剧Aβ病理的双重环境驱动因子。它们通过诱导氧化应激、下调细胞连接蛋白表达直接损害BBB完整性，同时作为外源性成核“种子”加速Aβ聚集成神经毒性形式。更重要的是，PM_2.5或S. aureus与Aβ之间存在协同作用，能显著放大BBB渗漏和细胞毒性，从而可能形成一个“BBB功能障碍-神经变性”的恶性循环。这项研究为理解阿尔茨海默病的环境病因学提供了新颖的机制见解，将室内空气质量与脑健康直接联系起来。它强调，改善室内空气、减少特定污染物（如PM_2.5和病原微生物）暴露，可能成为预防或延缓神经退行性疾病的重要策略。同时，研究揭示的机制（如ROS、铁离子、特定细菌表面成分）也为开发靶向干预药物（如抗氧化剂、金属离子螯合剂、抗菌策略）提供了新的潜在靶点。总之，该工作突破了传统视角，凸显了“环境-大脑”轴在AD等复杂疾病中的关键作用，具有重要的公共卫生意义和转化医学价值。