作者：Kalina Ranguelova，Bruker BioSpin高级EPR应用科学家
 
一段时间以来，人们已经知道，活性氧物种（ROS，即一种在外轨道上存在一个不成对电子的自由基）会与体内的生物分子发生反应，从而刺激炎症反应，并通过氧化应激导致细胞损伤和死亡。ROS诱导的氧化应激被认为是许多急、慢性疾病的关键特征，由此激发了科学家们对ROS外源性和内源性来源的研究兴趣越来越浓。空气中的污染物、香烟烟雾和电离辐射是ROS的主要外源性来源，但它们同时也可能来自内源性来源，如炎症细胞、细胞代谢或细胞器损伤。分子可以通过氧化还原反应获得或失去电子，从而产生ROS，如超氧阴离子（O2•–）、过氧化氢（H2O2）和羟基自由基（•OH）。
 
在有机物质燃烧的过程中，各种副产物会与金属氧化物颗粒物（PM）发生反应，并在其表面形成对环境具有持久性的自由基（EPFR）。这些自由基可以在空气中留存数天至数周，远远超过其它自由基的留存时间，且能产生稳定的ROS流。虽然EPFRs并不是什么新的发现，但其对人类健康的长期影响才刚开始为人们了解。诸多研究也把重心放在其对心肺健康的影响，其中一些研究表明，EPFR会加剧哮喘和慢性阻塞性肺病（COPD）等的既有病症，而且还会影响基本的心肺功能。
 
体内ROS

由于ROS的过度生成，进入体内的EPFR会引发氧化应激状态。ROS通常是机体氧代谢的天然副产物，在细胞信号传导和体内稳态等生物过程中发挥重要作用。然而，由内源性或外源性自由基引起的氧化应激对细胞结构和功能都会造成极大破坏。有害影响通常由DNA或RNA损伤、脂质过氧化、蛋白质中氨基酸的氧化或特定酶的氧化失活引起。
 
与氧化应激一样，暴露于外源性ROS（如来自空气污染物的EPFRs）,可导致上皮细胞和结构细胞炎症。在正反馈回路中，参与炎症反应的白细胞和巨噬细胞可以释放ROS，从而加剧氧化应激。•OH自由基是活性最强的ROS之一，可损伤所有类型的大分子。众所周知，颗粒（PM）污染物富含铁，引起氧化应激，通过H₂O₂（与•OH相比相对稳定）与亚铁（Fe(II)）的芬顿反应在肺部生成•OH [1]。
 
肺部和心血管疾病

ROS诱导的氧化应激被认为是吸入空气中PM颗粒导致健康并发症的最重要原因之一。ROS可通过多种途径引起或加剧肺部或心血管病症。例如，脂质过氧化会通过产生丙二醛导致肺部炎症，丙二醛可使许多细胞蛋白失活，引起肺泡细胞壁破坏和肺气肿的发展 [1]。这些活性醛类通常被用作呼吸系统疾病（如COPD和哮喘）中氧化应激的生物标志物 [2]。COPD还与由免疫细胞（如巨噬细胞和中性粒细胞）激活导致的ROS释放有关。
 
研究表明，许多PM吸入成分可诱导氧化应激，增加炎症细胞因子的分泌，并激活肺部的芳香烃受体（AhR）系统 [3]。一项研究对EPFR诱导的氧化剂损伤与肺上皮细胞产生的细胞因子增加之间的联系机制进行了考察。研究人员用亚毒性水平的EPFR处理人类支气管上皮细胞，并测量ROS和细胞因子的产生，结果表明，EPFR诱导的ROS的产生和氧化应激导致生物分子氧化，产生可激活AhR的小分子代谢物 [4]。这种激活导致CYP1A1（一种氧化剂的产生酶和AhR生物标记物）表达的增加，由此进一步刺激细胞ROS的产生。该研究还得出结论，鉴于AhR在肺远端组织中的广泛表达，以及这些代谢物全身循环的可能性，进一步研究它们与心血管疾病的关联机制，以有其它已知与PM吸入相关的疾病的联系机制，将是十分有益的。
 
多项研究一致表明，暴露于超细PM会导致心脏病和心肺疾病的增加 [5]，但很少有研究调查颗粒物（尤其是EPFR）对心脏基础功能的影响。相比普通超细PM，研究人员对与EPFR关联的毒性特征颇有兴趣。有研究发现，与惰性二氧化硅颗粒相比，吸入EPFR模型颗粒可显著降低健康大鼠的基础心脏功能，表现为搏出量、心输出量和搏出功的降低 [6]。同时，舒张末期容积和舒张末期压力也显著降低，但心室收缩力和舒张力保持不变。通过测定C反应蛋白（CRP），可以发现，这些EPFR还显示出全身炎症的产生以及大鼠左心室氧化应激标记物的增加。

这些实验首次表明，短期吸入EPFR可降低大鼠的左心室基础功能，主要是由于肺血管阻力增加和颗粒介导的肺部炎症。这类研究正在迈出重要的一步，将进一步加深我们对这些长期存在于空气中的自由基如何危害公共健康的理解。
 
检测EPFR

检测空气中EPFR的能力对于研究空气污染之于公众健康的影响至关重要。电子顺磁共振（EPR）波谱学是一种检测具有不成对电子的物种的可靠技术，可在几秒钟内收集数据，以确定物种的身份和定量信息。EPR能够以非侵入性方式监测环境PM中固有的短寿命自由基（ROS）和长寿命EPFR的生成情况。EPR还可用于确定PM的氧化电位，这对于预测可能的不良健康影响至关重要。
 
根据EPR波谱特征（g因子），EPFR可被识别为O-中心半醌或C-中心多环芳烃（PAH）自由基。
   
图1显示了采用化学惰性二氧化硅作为基底粒子的替代粒子- EPFR系统的EPR光谱[2]。铜（II）氧化物（Cu(II)O）是过渡金属氧化物，它可以促进EPFR的形成，自由基2-单氯酚(MCP)由于其可以在Cu(II)O表面形成EPFR而被使用。为了更好地了解EPFR金属氧化物颗粒对人类支气管上皮细胞的可能影响，我们对这种自由基颗粒系统（MCP230）进行了研究。结果表明，由于2-MCP与金属氧化物之间的电子转移，形成两个顺磁中心。该研究进一步发现，MCP230比CuO /二氧化硅暴露时间长，对支气管上皮细胞的毒性更强，这与更大的氧化应激和脂质过氧化有关。

EPFR也可以形成并存在于土壤。土壤中含有的过渡金属可引发与空气中同类物质的芬顿反应，从而产生ROS。含有EPFRs的受污染土壤会以粉尘的形式飘散于空气中，导致吸入性接触，从而对健康造成不利影响。用于检测、监测和评估土壤中EPFRs对健康和环境影响的技术（如EPR波谱）极为重要（图2）。EPR能够监测自由基信号，并确定其稳定性和持久性，这对于加深对EPFR特性随时间变化的理解至为关键。

 
对五氯酚（PCP）、多环芳烃（PAH）、多氯联苯（PCB）和多溴联苯醚（PBDE）等有害化合物污染土壤的实验显示，十年至一个世纪前受污染的场地中仍含有自由基，这表明分子污染物会不断形成EPFR [7]。先前的研究也将EPFR的形成归因于PCP对过渡金属的化学吸附和电子转移，以及土壤中的其它电子冷阱 [8]。研究认为，在不受控制的污染场所，含有受污染沉积物的水或因风蚀而吸入的空气粉尘可能会影响人类的肺部和心血管健康。
 
有关EPFR的未来研究工作

除了目前关于EPFRs健康影响的研究工作外，还需要作进一步的毒理学考察，从而确定生物标记物以支持流行病学研究，并判断目前和以往的暴露水平。其它病症如糖尿病也可能与接触EPFRs有关，因此这些机制也需要进一步深入探讨。最近的一项研究将妊娠期接触EPFRs与大鼠骨骼肌能量消耗减少和线粒体损伤相联系[9]，这可能对挖掘肥胖病理学机制产生影响。
 
通过阐明这些长期存在的自由基的真正副作用，有助于制定更严格的污染法规，以防止疾病的发展。通过加深对EPFR的生物医学研究，还有望为受EPFR影响的患者带来更具针对性的治疗。
 
如需进一步了解布鲁克的EPR波谱解决方案，请访问https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/mr/epr-instruments.html
 
参考文献：

1. Boukhenouna S, Wilson MA, Bahmed K and Kosmider B (2018) Reactive Oxygen Species in Chronic Obstructive Pulmonary Disease, Oxidative Medicine and Cellular Longevity, Vol. 2018, https://doi.org/10.1155/2018/5730395.
2. Balakrishna S, Lomnicki S, McAvey KM, Cole RB, Dellinger B and Cormier SA (2009) Environmentally persistent free radicals amplify ultrafine particle mediated cellular oxidative stress and cytotoxicity, Particle and Fibre Toxicology, Vol. 6, No. 11, doi:10.1186/1743-8977-6-11. 
3. Beamer CA, Shepherd DM. (2013) Role of the aryl hydrocarbon receptor (AhR) in lung inflammation,Seminars in Immunopathology, 35:693-704.https://doi.org/10.1007/s00281-013-0391-7.
4. Harmon AC, Hebert VY, Cormier SA,Subramanian B, Reed JR, Backes WL, et al. (2018)Particulate matter containing environmentallypersistent free radicals induces AhR-dependent cytokine and reactive oxygen species production inhuman bronchial epithelial cells,PLoS ONE, 13(10):e0205412.https://doi.org/10.1371/journal.pone.0205412
5. Brook RD, Rajagopalan S, Pope CA, Brook JR, Bhatnagar A, Diez-Roux AV, Holguin F, Hong Y, Luepker RV, Mittleman MA, Peters A, Siscovick D, Smith SC Jr, Whitsel L, Kaufman JD. (2010) Particulate matter air pollution and cardiovascular disease: an update to the scientific statement from the American Heart Association, Circulation, Vol. 121, pp. 2331–2378.
6. Mahne S, Chuang GC, Pankey E, Kiruri L, Kadowitz PJ, Dellinger B and Varner KJ (2012) Environmentally persistent free radicals decrease cardiac function and increase pulmonary artery pressure, Am J Physiol Heart Circ Physiol, Vol. 303, doi:10.1152/ajpheart.00545.2012. 
7. dela Cruz ALN, Cook RL, Dellinger B, Lomnicki SM, Donnelly KC, Kelley MA and Cosgriff D. (2014) Assessment of Environmentally Persistent Free Radicals in Soils and Sediments from Three Superfund Sites, Environ Sci Process Impacts, 16(1): 44-52, doi:10.1039/c3em00428g.
8. dela Cruz ALN, Gehling W, Lomnicki S, Cook R and Dellinger B. (2011) Detection of Environmentally Persistent Free Radicals at a Superfund Wood Treating Site, Environ Sci Technol, 45(15): 6356-55, doi:10.1021/es2012947. 
9. Stephenson EJ, Ragauskas A, Jaligama S, Redd JR, Parvathareddy J, Peloquin MJ, Saravia J, Han JC, Cormier SA and Bridges D (2016) Exposure to environmentally persistent free radicals during gestation lowers energy expenditure and impairs skeletal muscle mitochondria function in adult mice, Am J Physiol Endicrinol Metab, Vol. 310, doi:10.1152/ajpendo.00521.2015.

 
关于布鲁克
50多年来，布鲁克已帮助科研人员取得可提高人类生活品质的突破性发现，并开发出诸多新的应用。布鲁克的高性能科研仪器和宝贵的分析解决方案，使科研人员得以在分子、细胞和微观水平上开展对生命和材料的探索。
通过与客户的密切合作，布鲁克致力于帮助实现创新、生产力提升以及客户成功，领域涉及生命科学分子研究、制药应用、显微镜、纳米级分析、工业应用，以及细胞生物学、临床前成像、临床研究、微生物学和分子诊断。更多信息，请访问：http://www.bruker.com。