环境颗粒物通过补体系统C5激活诱发肺部急性炎症反应的机制研究

为解决空气污染物如何通过补体系统激活诱发急性肺部炎症的问题，研究人员开展了四种颗粒物（TiO2、DEP、ASD、PM2.5）的对比研究，发现亚洲沙尘（ASD）通过矿物成分（Si、Mg、Al等）显著激活补体C5及其下游产物C5aR1和C5b-9，驱动中性粒细胞聚集和炎症反应。该研究为评估颗粒物健康风险提供了关键分子机制依据。

　　

空气污染导致的呼吸系统疾病已成为全球公共卫生挑战，其中可吸入颗粒物（PM）的毒性机制尚未完全阐明。尽管已知PM会引发肺部急性炎症，但不同成分颗粒物如何通过补体系统激活这一关键免疫通路仍不清楚。亚洲沙尘暴、工业排放和交通污染产生的PM具有复杂化学成分，其健康效应差异显著，尤其亚洲沙尘（ASD）的致病性可能与其独特矿物组成相关。

日本科学技术振兴机构（JST）CREST项目团队在《Ecotoxicology and Environmental Safety》发表的研究，首次系统比较了四种典型颗粒物（纳米二氧化钛TiO₂、柴油尾气颗粒DEP、亚洲沙尘ASD和环境PM_2.5）通过补体系统C5通路诱发急性炎症的差异。研究通过小鼠气管滴注暴露模型，结合免疫组化、拉曼光谱和元素分析技术，揭示了ASD因其富含硅（Si）、镁（Mg）、铝（Al）等矿物成分，能最强效激活补体终末产物C5b-9沉积和C5a受体（C5aR1）表达，从而驱动中性粒细胞聚集和促炎因子TNF-α释放的分子机制。

关键技术包括：1）建立ICR小鼠颗粒物暴露模型（50-500 μg/只）；2）支气管肺泡灌洗液（BALF）炎症细胞与TNF-α检测；3）补体C5的ELISA定量；4）C5b-9沉积和C5aR1表达的免疫组化空间定位；5）暗场显微镜联合拉曼光谱鉴定颗粒物成分；6）电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析元素组成。

3.1 颗粒物诱发肺部急性炎症
研究发现所有颗粒物均能剂量依赖性增加肺泡巨噬细胞和中性粒细胞浸润，其中500 μg ASD组中性粒细胞数量达对照组的72.7倍，TNF-α水平升高156倍，显著高于其他颗粒物，表明ASD诱发炎症能力最强。

3.2 补体C5的肺部特异性激活
颗粒物暴露后，BALF中C5蛋白水平显著升高（ASD组升高156倍），而血清C5无变化，证实补体激活是肺部局部事件而非全身反应。

3.3 终末补体复合物C5b-9沉积
免疫组化显示ASD和PM_2.5组C5b-9在支气管/肺泡上皮及免疫细胞中广泛沉积，200 μg ASD即可显著诱导沉积（p<0.001），提示矿物成分可能直接激活补体级联反应。

3.4 C5aR1在中性粒细胞的高表达
三重免疫染色证实，PM暴露后Ly6G⁺中性粒细胞是C5aR1主要表达细胞（占比>80%），其次为F4/80⁺巨噬细胞和CD11c⁺树突细胞，揭示C5a-C5aR1信号是中性粒细胞趋化的核心通路。

3.6 颗粒物成分的空间定位
拉曼光谱在ASD暴露肺组织中检测到石英（SiO₂）、云母（含Mg/Al/Si）等矿物直接毗邻C5aR1⁺中性粒细胞，且吞噬了锐钛矿型TiO₂颗粒的中性粒细胞仍保持C5aR1高表达，证实矿物-补体-炎症的三元关联。

3.7 元素-炎症相关性分析
热图显示Si、Mg、Al、K与中性粒细胞数、TNF-α、C5b-9沉积呈强正相关（r>0.8），而多环芳烃（PAHs）呈负相关，说明矿物成分而非有机组分是补体激活的主因。

该研究首次阐明不同PM通过补体系统激活的差异机制：ASD凭借其高含量矿物成分（如石英、云母）成为最强效的补体激活剂，通过C5a-C5aR1信号轴驱动中性粒细胞聚集，并形成膜攻击复合物C5b-9加剧组织损伤。这一发现不仅解释了沙尘天气呼吸道疾病高发的分子基础，还为制定基于PM成分特性的精准防控策略提供了理论依据。研究创新的技术路径——结合拉曼光谱空间定位与补体蛋白可视化，为环境毒理学研究提供了新范式。未来需进一步解析特定矿物成分与补体受体结合的分子结构基础，以及C5a拮抗剂在PM暴露防护中的应用潜力。