个性化氧化毒性暴露评估：揭示可吸入PM10氧化潜能与人体氧化损伤的关联可行性

《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》：Personalized oxidative toxicity exposure assessment: Unveiling feasibility of linking respiratory PM 10 oxidative potential to human oxidative damage

本研究针对大气颗粒物所致氧化应激与人体内氧化损伤间直接证据缺失的难题，以废品回收厂职业人群为模型，系统量化了可吸入PM10的粒径分级氧化潜能（OP），首次提出“可吸入颗粒物结合氧化性（RPO）”指标，发现RPO与尿液丙二醛（MDA）呈显著正相关（每增加1% RPO，MDA上升2.92%），尤其在肺泡区域关联最强，成功建立了环境氧化能力与人体脂质过氧化的定量关联，为大气污染毒性机制评估提供了新视角。

　　

当我们呼吸的每一口空气中都可能携带着看不见的健康威胁时，科学界一直在努力寻找更精准的方法来评估大气污染的真实危害。传统上，研究人员多关注颗粒物的质量浓度，但越来越多的证据表明，颗粒物的化学组成和生物活性才是影响健康的关键。其中，由颗粒物引发的氧化应激被认为是导致心血管疾病、呼吸系统疾病甚至过早死亡的重要机制。然而，一个核心问题始终悬而未决：我们如何直接证明环境中的氧化性物质真的会导致人体内部的氧化损伤？尽管一些研究尝试通过单一污染物（如多环芳烃PAHs或重金属）的生物标志物来建立关联，但结果往往不尽如人意，因为它们忽略了环境中多种氧化性物质的协同效应以及个体实际暴露剂量的差异。

为了突破这一瓶颈，发表在《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》上的研究进行了一项开创性的工作。研究团队选择了一个极具代表性的“天然实验室”——废品回收厂。这里的工人们长期暴露于高水平且成分复杂的颗粒物中，为研究环境氧化性与人体健康效应之间的联系提供了理想模型。研究人员旨在系统地回答几个关键问题：不同大小的可吸入颗粒物（PM₁₀）的氧化能力如何分布？一种新兴的氧化性物质——环境持久性自由基（EPFRs）——对颗粒物的总氧化潜能（OP）贡献有多大？这些来自环境的“氧化攻击”是否真的在人体内留下了DNA、脂质和蛋白质损伤的痕迹？最重要的是，能否建立一个可靠的指标，将外部的环境暴露与内部的健康效应定量地联系起来？

为了回答这些问题，研究人员综合运用了多项关键技术。他们首先使用安德森 cascade 采样器在广州四个废品回收厂纵向收集了按粒径分级（0.43-10 μm共8级）的可吸入PM₁₀样品，并同步采集了工人的尿液和血液样本。核心实验技术包括：1）自主研发的高通量微板二硫苏糖醇（DTT）法，用于精确测定每种粒径颗粒物的水溶性氧化潜能（OP^DTT），分别用单位颗粒物质量（OP^DTT_m）和单位空气体积（OP^DTT_v）进行标准化；2）电子顺磁共振（EPR）技术，用于绝对定量颗粒物上环境持久性自由基（EPFRs）的自旋浓度；3）超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）技术，结合同位素内标法，高灵敏度地检测尿液中DNA氧化损伤标志物8-羟基脱氧鸟苷（8-OHdG）和脂质过氧化标志物丙二醛（MDA）；4）比色法检测血清中的蛋白质羰基含量，作为蛋白质氧化损伤的标志。在数据分析方面，研究创新性地提出了“可吸入颗粒物结合氧化性（RPO）”这一指标，它通过结合颗粒物的OP^DTT_v和基于个体基础代谢率计算的个性化呼吸速率，来更准确地反映经呼吸道暴露的“生物可利用氧化剂量”。最后，采用线性混合效应模型（LMEM）来统计分析RPO与多种氧化损伤生物标志物之间的剂量-反应关系，并考虑了年龄、性别、BMI、吸烟饮酒习惯等多种混杂因素。

3.1. 可吸入PM₁₀中OP的粒径分布

研究发现，颗粒物的氧化潜能具有显著的粒径依赖性。无论是用质量还是体积标准化，最细的颗粒物（0.43–0.65 μm）都表现出最高的氧化潜能（OP^DTT_m最高达87.6 pmol/μg/min）。相反，最大粒径（9.0–10 μm）的颗粒物OP值最低。当考虑颗粒物在人体呼吸道不同区域的沉积效率时，研究显示，虽然头部气道（HA）沉积了大部分（77%–83%）的氧化潜能，但在更深部的肺泡（PA）区域，高达62%–82%的氧化性是由小于2.1 μm的细颗粒物贡献的。这表明，能够深入肺部的细颗粒物单位质量的氧化毒性更强。

3.2. 粒径分级PM₁₀中的EPFRs及其与颗粒物OP的相关性

通过EPR分析，研究检测到所有粒径颗粒物上均存在EPFRs。其质量浓度在PM_1.1–3.3粒径段达到峰值。更重要的是，线性回归模型揭示了一个显著的剂量-反应关系：EPFRs的自旋浓度每增加1×10¹⁶spins/g，颗粒物的质量标准化氧化潜能（OP^DTT_m）就相应增加1.316 pmol/μg/min。这一结果明确了EPFRs是颗粒物总氧化潜能的重要贡献者之一。

3.3. DNA/脂质/蛋白质氧化损伤的发生情况

对148名工人的生物监测发现，三种氧化损伤标志物（8-OHdG, MDA, 蛋白质羰基）在尿液中普遍检出。统计分析显示，男性工人、吸烟者和饮酒者的8-OHdG和MDA水平显著更高。此外，在不同工厂的工人中，尿液中MDA浓度的增加与8-OHdG浓度的增加呈正相关，提示脂质过氧化和DNA氧化损伤在体内可能存在协同发生的趋势。

3.4. 可吸入PM氧化性在氧化损伤生物标志物中的指示作用

这是本研究最核心的发现。研究人员引入的RPO指标与尿液中MDA浓度显示出显著的正相关关系。线性混合效应模型分析表明，在调整了多种混杂因素后，RPO每增加1%，尿液中的MDA浓度就平均增加2.92%（95% CI: 1.66%, 4.17%）。这种关联在肺泡沉积的RPO中最为强烈。然而，颗粒物的氧化性与尿液8-OHdG和血清蛋白质羰基之间未发现显著关联。这表明，在当前的暴露背景下，脂质过氧化可能是对环境颗粒物氧化毒性更为敏感的响应指标。

研究的讨论部分深刻阐释了这些发现的意义。细颗粒物因其更大的比表面积和更易富集氧化性组分（如过渡金属、有机醌类和EPFRs），而具有更高的本征氧化活性。本研究首次在真实职业暴露场景下，通过创新的RPO指标，建立了环境颗粒物氧化能力（通过DTT法测定）与人体内源性氧化损伤（通过MDA表征）之间的定量联系。这不仅证实了氧化潜能（OP）作为一项有前景的环境健康风险评价指标的有效性，也揭示了经呼吸道吸入的氧化性颗粒物，特别是那些能到达肺泡区域的细颗粒物，其造成的脂质过氧化是值得重点关注的健康效应终点。

综上所述，这项研究成功地搭建了一座连接“外暴露”（环境颗粒物氧化性）与“内效应”（人体氧化损伤）的桥梁。它雄辩地证明，将化学导向的氧化潜能测量与个体化的暴露参数（如呼吸速率）和机械性的生物效应标志物（如MDA）相结合，能够更精准地评估大气颗粒物的健康风险。这不仅为理解空气污染毒性机制提供了直接证据，也为未来制定更科学的职业暴露限值和环境空气质量标准提供了重要的方法论借鉴和理论依据。