PM2.5中的有机物质通过溶剂提取后，对人类肺泡上皮细胞的核结构和细胞骨架结构产生的影响

《Environmental Toxicology and Pharmacology》：Nuclear and cytoskeletal structural alterations in human alveolar epithelial cells by solvent-extracted organic matter from PM 2.5

PM2.5提取物通过破坏细胞骨架微管和核结构，引发人肺泡上皮细胞A549的DNA损伤、细胞周期阻滞及凋亡坏死增加，证实其通过干扰细胞结构稳定性和遗传毒性机制导致毒性效应。

　　

奥克塔维奥·伊斯帕尼克斯特拉瓦特-梅拉兹（Octavio Ispanixtlahuatl-Meraz）、亚历杭德罗·德西加-阿尔卡拉兹（Alejandro Déciga-Alcaraz）、玛丽塞拉·乌里韦-拉米雷斯（Marisela Uribe-Ramírez）、约瑟菲娜·波布拉诺-巴塔（Josefina Poblano-Bata）、安德烈亚·德维斯卡亚-鲁伊斯（Andrea De Vizcaya-Ruiz）、奥马尔·阿马多尔-穆尼奥斯（Omar Amador-Mu?oz）、约兰达·I·奇里诺（Yolanda I. Chirino）

墨西哥国立自治大学大气科学与气候变化研究所有机大气气溶胶化学分析实验室，墨西哥城，邮编04510

摘要

颗粒物（PM_2.5）包含多种具有不同物理化学和毒理特性的化合物。尽管已知PM_2.5中的可溶剂提取有机化合物会引发氧化和代谢变化，但它们对细胞结构完整性的影响尚未得到充分研究。在本研究中，我们评估了用二氯甲烷提取的PM_2.5（SEOM-PM_2.5）对人类肺泡上皮细胞（A549）的影响。细胞暴露于非细胞毒性的SEOM-PM_2.5浓度下，观察了细胞骨架结构、核形态、细胞周期分布、DNA损伤、caspase-3激活以及细胞死亡情况。SEOM-PM_2.5导致细胞骨架显著改变，包括微管紊乱、α-微管蛋白表达减少以及肌动蛋白应力纤维形成。此外，SEOM-PM_2.5还引起核变形、G2/M细胞周期停滞、γH2AX相关的DNA损伤，并增加凋亡和坏死细胞数量。研究结果表明，SEOM-PM_2.5会破坏肺泡上皮细胞的细胞骨架和核完整性，为PM_2.5成分可能损害上皮结构稳定性并促进基因毒性和凋亡反应提供了机制证据。

引言

颗粒物（PM）是由不完全燃烧、大气转化以及各种人为和自然来源产生的复杂混合物。其化学成分包括有机和无机化合物、金属、离子以及燃烧副产物（Leavey等人，2017年）。其中，有机物占PM_2.5的很大比例，通常占其质量的20%–90%，来源于一次性和二次性污染源（Kanakidou等人，2005年）。

尽管分析技术有所进步，但由于有机物的极端化学异质性以及样品采集和处理过程中半挥发性物质的损失，仍难以对其进行准确表征（Li等人，2021年）。因此，研究通常关注PM_2.5中的可溶剂提取有机物（SEOM-PM_2.5），其中可能含有数百种化合物，如多环芳烃（PAHs）、氧化衍生物和其他有机污染物（Welthagen等人，2003年；Hamilton等人，2004年；Alam等人，2013年）。其中，苯并[a]芘（B[a]P）等PAHs是毒理学上最相关的化合物，在城市和工业环境中的PM_2.5中广泛存在（Zhu等人，2022年；Alves等人，2023年；Park等人，2024年）。目前已在大气中鉴定出500多种PAHs（IARC，2016年），高分子量PAHs通常与颗粒相相关，具有最强的致癌活性（Stading等人，2021年）。

以往评估PM_2.5或SEOM-PM_2.5毒性的研究主要使用支气管和肺上皮细胞模型，发现其具有细胞毒性、细胞周期失调、内质网应激、DNA修复途径激活以及与氧化应激和代谢失衡相关的广泛蛋白质组变化（Longhin等人，2013年；Déciga-Alcaraz等人，2023年）。然而，尽管SEOM-PM_2.5对肺功能和上皮屏障完整性的重要性显而易见，但其扰乱细胞结构稳态（尤其是细胞骨架组织和核形态）的能力仍不明确。

A549细胞系来源于人类肺腺癌，保留了II型肺泡上皮细胞的关键形态和功能特征（Foster等人，1998年），包括有序的肌动蛋白和微管网络、稳定的核结构以及代谢外源物质的能力。这些特性使A549细胞特别适合用于评估环境毒素引起的细胞骨架结构和核形态的变化（Zerboni等人，2019年）。

本研究利用A549细胞系探讨了SEOM-PM_2.5对细胞骨架和核变化的影响，这些变化可能先于或伴随基因毒性和细胞死亡。SEOM-PM_2.5采用专利验证的提取方法制备（Amador-Mu?oz等人，2014年；Poblano-Bata等人，2022年），以最小化处理过程中的化合物损失。通过结构、功能和细胞死亡指标评估了SEOM-PM_2.5暴露对肺泡上皮完整性的影响。

部分内容

PM_2.5采样与SEOM-PM_2.5

2017年11月，在墨西哥城北部（北纬19o30′30″，西经99o07′51″）的干冷季节采集了PM_2.5样本。连续22天每天采集样本，共获得22个样本。使用TISCH高容量采样器（TISCH，Environmental，美国俄亥俄州）以1.13 m³ min^?1 ± 10%的流速将样品收集在聚四氟乙烯覆盖的玻璃纤维滤纸上。采集后，滤纸储存在-20oC环境中。每个加载的滤纸有八分之七被用于后续分析。

细胞代谢活性

暴露于15、20、30、50、100和200 μg/mL SEOM-PM_2.5的人类肺泡上皮细胞在24小时内的代谢活性分别为107%、112%、105%、108%、111%和94%。因此，MTT检测显示SEOM-PM_2.5暴露并未降低细胞代谢活性。然而，在10 μg/mL SEOM-PM_2.5浓度下，与对照组相比存在统计学显著差异（p < 0.01）（补充材料，图S1A）。苯并[a]芘（B[a]P，50 μM）处理后细胞代谢活性降低。

讨论

本研究中分析的SEOM-PM_2.5含有多种在墨西哥城发现的PAHs，包括苯并[ghi]芘、苯并[b]荧蒽、苯并[a]芘、环戊[cd]芘和茚[1,2,3-cd]芘（Poblano-Bata等人，2024年）。这些化合物主要来源于车辆交通、生物质燃烧、化石燃料燃烧和工业活动（Vega等人，2021年），导致人类通过吸入PM_2.5持续暴露于这些化合物中。

细胞骨架

结论

本研究表明，SEOM-PM_2.5会引发人类肺泡上皮细胞的早期和显著结构变化。具体表现为细胞骨架组织紊乱（尤其是微管完整性受损）、α-微管蛋白减少以及肌动蛋白重构。这些结构变化伴随核变形、G2/M期停滞、γH2AX相关的DNA损伤以及凋亡和坏死细胞数量增加。

微量无机物质无法完全

利益冲突声明

作者声明与本研究、作者身份及文章发表无关的潜在利益冲突。

资助

本研究得到了墨西哥国立自治大学博士后计划（POSDOC）的支持。同时感谢DGAPA的技术创新研究项目支持计划（PAPIIT）提供的资金（项目编号IG200425），该资金促进了本研究的发展。该项目还得到了大都市环境委员会（Comisión Ambiental de la Megalópolis，SEMARNAT）的支持，该项目属于支持大都市环境计划、项目和行动的1490号基金，具体用于“颗粒物化学分析”项目。

CRediT作者贡献声明

奥克塔维奥·伊斯帕尼克斯特拉瓦特-梅拉兹（Octavio Ispanixtlahuatl-Meráz）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法设计、实验设计、概念化。亚历杭德罗·德西加-阿尔卡拉兹（Alejandro Déciga-Alcaraz）：撰写 – 审稿与编辑。安德烈亚·德维斯卡亚-鲁伊斯（Andrea De Vizcaya-Ruiz）：撰写 – 审稿与编辑。约兰达·I·奇里诺（Yolanda I. Chirino）：撰写 – 审稿与编辑、项目管理工作、资金申请、数据分析。玛丽塞拉·乌里韦-拉米雷斯（Marisela Uribe-Ramírez）：撰写 – 审稿与编辑。约瑟菲娜·波布拉诺-巴塔（Josefina Poblano-Bata）：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。