吸入性丙二醇醚暴露对血气扩散的肺效应研究：从体外肺泡模型到人体暴露的毒理学证据

《Environment International》：Pulmonary effects of inhalation exposure to propylene glycol ethers on blood gas diffusion – a human and in vitro study

本刊推荐：为解决丙二醇醚(PGEs)吸入暴露对肺部气体交换功能的影响机制不明问题，研究人员通过人体吸入暴露实验和体外肺泡模型，首次发现PGME(35 ppm)和PGBE(15 ppm)暴露可降低毛细血管血氧合作用，其机制与肺泡膜功能改变相关。该研究为制定PGEs职业暴露限值提供了重要毒理学依据。

　　

在现代工业和家庭环境中，丙二醇醚（PGEs）作为常见的挥发性有机溶剂，广泛存在于油漆、清洁产品和脱脂剂等日常用品中。然而，这些化学物质通过吸入暴露对呼吸系统特别是肺泡气体交换功能的潜在影响，长期以来缺乏系统研究。尽管流行病学调查已发现职业性接触PGEs与呼吸道症状存在关联，但其对肺部血气扩散功能的具体作用机制仍不明确。

在这项发表于《Environment International》的研究中，瑞士洛桑大学Unisanté初级保健与公共卫生研究中心的科研团队开展了一项整合人体暴露实验和体外肺泡模型的综合研究。研究人员通过精确控制暴露条件，首次揭示了PGME和PGBE对肺泡-毛细血管膜气体交换功能的影响，为理解这些常用溶剂的肺毒性机制提供了重要证据。

研究团队采用了多项关键技术方法：首先建立了标准化的人体全身体暴露舱系统，使11名健康参与者分别暴露于35 ppm PGME、15 ppm PGBE和洁净空气（空白对照）；其次运用毛细血管血气分析、肺一氧化碳弥散量（DLCO）测定等肺功能评估技术；同时构建了包含A549细胞、单核细胞源性巨噬细胞（MDMs）和树突状细胞（MDDCs）的3D肺泡共培养模型，通过空气-液体界面（ALI）暴露系统模拟真实吸入暴露场景；并采用跨上皮电阻（TEER）、细胞通透性测定、表面张力检测等多项体外毒理学评价指标。

3.1. 人体毒理学研究

通过对11名参与者（7名女性，4名男性）的暴露实验，研究人员发现PGME和PGBE暴露均导致毛细血管血氧合作用显著降低。具体表现为血氧分压（pO₂）、血氧饱和度（sO₂）和氧合血红蛋白分数（O₂Hb）的下降，同时脱氧血红蛋白分数（RHb）和碳酸氢盐（HCO₃^-）水平升高。这些变化在暴露结束时最为明显，且在暴露结束2小时后基本恢复，表明PGEs对血气交换的影响是可逆的急性效应。

3.1.1. 参与者肺泡气体扩散

毛细血管血气分析显示，PGME暴露导致pO₂显著降低8.891 mmHg（p=0.033），O₂Hb降低1.624%（p=0.036）；PGBE暴露则引起sO₂降低1.721%（p=0.041）。两种PGEs均导致RHb显著增加（PGME：p=0.048；PGBE：p=0.040），这一发现与先前观察到的血液颜色变暗现象相吻合，证实了PGEs暴露对血氧合状态的影响。

3.1.2. 参与者炎症相关血液参数

炎症相关参数的变化显示，PGME暴露结束时白细胞计数显著降低（p=0.002），特别是淋巴细胞（p=0.015）和中性粒细胞（p=0.005）减少，同时血沉（ESR）降低（p=0.039）而触珠蛋白（HPT）升高（p=0.048）。PGBE暴露也引起淋巴细胞减少（p=0.022），这些变化在24小时后均恢复正常，表明PGEs引起的炎症反应是短暂且可逆的。

3.2. 体外细胞研究

3.2.1. ALI暴露中肺泡上皮细胞膜功能

ALI暴露实验显示，PGBE在131 μg/cm²浓度下显著降低细胞通透性（p=0.043），而PGME在ALI条件下对细胞膜完整性无显著影响。表面张力测定发现PGBE和PGME在最高暴露浓度下分别引起表面张力增加10%和7%，虽未达统计学显著性，但根据拉普拉斯定律（P=2T/r），这种变化可能增加肺泡塌陷风险。

3.2.2. 浸没暴露中细胞膜通透性

浸没暴露实验表明，PGME在32 mg/mL和64 mg/mL浓度下显著降低A549细胞通透性（p=0.012和p=0.002），而在128 mg/mL时因细胞毒性导致通透性急剧增加。PGBE在32 mg/mL时也引起显著细胞毒性，其半数致死浓度（LC50）为5.8 mg/mL，低于PGME的23 mg/mL，提示PGBE可能具有更强的毒性。

3.2.3. ALI暴露中肺炎症和细胞毒性

ALI暴露条件下，PGME和PGBE在测试浓度范围内未引起白细胞介素-8（IL-8）、IL-1β或IL-10的显著变化，乳酸脱氢酶（LDH）释放也维持在较低水平（<20%），表明在实验条件下PGEs未引发明显的炎症反应或细胞毒性。

3.2.4. 浸没暴露中A549细胞活力和形态变化

剂量反应曲线显示PGBE的LC50显著低于PGME，证实了PGBE更强的细胞毒性。细胞形态学观察发现，随着暴露浓度增加，细胞逐渐出现形态异常，包括细胞收缩和脱落等典型毒性表现。

3.3. 体外与人体暴露水平比较

研究人员计算了不同暴露场景下的沉积剂量，发现职业暴露（8小时/100 ppm）的肺部沉积浓度（11 μg/cm²）远高于本研究中的暴露水平（PGME：0.15 μg/cm²；PGBE：0.01 μg/cm²）。体外无观察不良反应水平（NOAEL）与职业暴露水平较为接近，提示长期职业暴露可能产生更明显的生物学效应。

研究结论表明，PGME和PGBE通过改变肺泡膜功能和可能影响表面活性物质的性质，干扰了肺泡-毛细血管气体交换过程。这种效应在低暴露浓度下即可发生，且具有可逆性。值得注意的是，PGBE表现出比PGME更强的毒性潜力，这为制定PGBE的职业暴露限值（OEL）提供了科学依据。

该研究的创新之处在于首次将人体控制暴露实验与体外肺泡模型相结合，为PGEs的肺毒性机制提供了直接的人类证据。研究结果对理解溶剂相关职业性肺疾病的发病机制具有重要意义，并为风险评估和暴露限值制定提供了关键数据。同时，研究方法也体现了体外到体内外推（IVIVE）策略在替代动物实验方面的应用价值，符合减少、优化和替代（3Rs）的动物实验原则。

尽管研究存在一些局限性，如仅关注健康成人、单次暴露和短期效应，但其为后续研究奠定了重要基础。未来研究可聚焦于易感人群、混合暴露场景以及长期慢性效应，进一步揭示PGEs对呼吸系统健康的影响。