受控全身人体臭氧暴露显著增加皮肤丙二醛（MDA）水平

《Environmental Research》：Controlled full-body human exposure to ozone increases malondialdehyde on skin

　　

丙二醛（malondialdehyde，MDA）是脂质过氧化的产物，也是氧化应激的生物标志物。研究人员在一系列三项受控全身舱室暴露研究中探讨了臭氧暴露与皮肤擦拭物中MDA之间的关系。29名志愿者在不同温度、相对湿度、臭氧浓度、衣物覆盖面积和通风速率条件下接受暴露。其中一项研究还考察了青少年、青年和老年人群之间的年龄相关差异。暴露持续时间介于3至6小时之间。研究人员在暴露前后采集志愿者前臂的皮肤擦拭物，并分析MDA含量，部分样本同时分析角鲨烯。为表征基线变异性，研究人员在5天内每天两次采集3名未暴露参照人员的皮肤擦拭物。此外，每日从另外两名人员身上各采集两份皮肤擦拭物，其中一份随后暴露于舱室空气，另一份不暴露于舱室空气，用以区分收集到的皮肤油脂上发生的臭氧化学反应与直接在皮肤上发生的过程。臭氧暴露显著增加了皮肤上的MDA含量。暴露持续时间越长，暴露后/暴露前MDA比值越高。暴露于臭氧的含皮肤油脂擦拭物上的MDA浓度比从臭氧暴露志愿者身上采集的擦拭物高出一个数量级，这表明即使在没有炎症过程的情况下，臭氧与皮肤脂质的反应也能生成MDA。皮肤MDA的个体间和个体内变异性可归因于环境因素和个人因素的综合影响，这些因素驱动了皮肤上MDA的生成、转化和吸收。角鲨烯消耗与MDA生成之间缺乏关联，表明在决定这两种化合物测得浓度的过程中，平行且可能相互关联的臭氧引发生成与损耗机制之间存在着复杂的平衡。

# 臭氧暴露与皮肤脂质过氧化：基于三项受控人体舱室研究的综合解析

## 一、研究背景与科学问题

臭氧（O₃）是环境中皮肤所接触的最具反应活性的化学物质之一。臭氧可与皮肤表面脂质发生反应，消耗保护性抗氧化剂，并在角质层中产生脂质氢过氧化物，且呈剂量依赖性。此类氧化应激效应可能导致皮肤屏障功能紊乱，并可能触发炎症反应。虽然臭氧本身不能穿透至皮肤深层，但脂质臭氧化产物具有可扩散性和稳定性，可能通过激活特定脂肪酶作为信号转导分子，在未直接暴露于臭氧的深层组织中触发内源性炎症介质的释放。长期氧化应激可导致皮肤过早老化及多种皮肤疾病。流行病学研究亦强调了臭氧暴露对皮肤疾病的贡献。

丙二醛（malondialdehyde，MDA）是活性氧（reactive oxygen species，ROS）与细胞膜脂质发生脂质过氧化反应的产物。多不饱和脂肪酸的氧化由自由基引发，形成双环内过氧化物等复杂中间体，随后分解生成MDA及其他产物。臭氧也可引发类似的氧化通路，即使在普通室内环境中，ROS的生成也可能相当可观。此外，即使在无臭氧条件下，ROS仍可通过自由基引发的皮肤脂质自氧化等机制持续生成。人体皮脂含有不饱和甘油三酯、脂肪酸以及10–20%重量的角鲨烯。角鲨烯持续分泌至皮肤表面，同时也容易被臭氧等氧化。不饱和脂肪酸及其酯类在臭氧暴露过程中同样被氧化。

已有实地研究发现空气污染与鼻腔液、呼出气冷凝液或尿液中的MDA呈正相关，提示脂质过氧化的诱导作用，但各项研究中臭氧的效应并不一致。仅有少数研究考察了臭氧对人体皮肤脂质过氧化的影响，且采用全身受控人体暴露于室内外环境常见臭氧水平的研究此前尚属空白。既往研究或使用离体皮肤样本，或臭氧浓度远超环境实际水平，或仅聚焦于单一生物标志物。此外，臭氧暴露对经皮水分散失（transepidermal water loss，TEWL）的影响此前亦未被研究。

## 二、研究目的与研究内容

研究人员通过整合三项不同的舱室暴露研究结果，考察了志愿者在受控臭氧暴露前后皮肤擦拭物中MDA浓度的变化。三项研究为：丹麦技术大学（Technical University of Denmark，DTU）研究、室内化学人体排放与反应性（Indoor Chemical Human Emissions and Reactivity，ICHEAR）研究以及瑞士洛桑联邦理工学院（école Polytechnique Fédérale de Lausanne，EPFL）研究。DTU研究招募了两组各4名健康志愿者（年龄20–34岁），考察了5种实验条件，包括不同相对湿度、不同臭氧浓度、无臭氧条件以及6小时延长暴露。ICHEAR研究在22.5 m³不锈钢气候舱中进行，考察了不同温度（设定点25和31°C）、相对湿度（设定点25%和65%）、衣物覆盖率（短袖或长袖）以及臭氧条件下青年（19–30岁）、老年（68–73岁）和青少年（13–15岁）人群的反应。EPFL研究在62 m³气候控制舱中进行，6名青年成年人（21–29岁）在三种换气率（air change rate，ACR 0.5、1.5和3 h^?1）及混合风扇开关条件下接受暴露。三项研究中的臭氧暴露浓度在17–70 ppb之间，暴露持续时间为2.5–6小时不等，涵盖了室内外环境中常见的臭氧水平。

研究的主要发现包括：（1）在臭氧存在的情况下，三项研究中暴露后皮肤擦拭物中的MDA浓度均显著高于暴露前水平；而无臭氧时则无显著差异。（2）DTU研究中，延长暴露时间（6小时 vs. 3小时）导致更高的暴露后/暴露前MDA比值。（3）直接暴露于臭氧的含皮肤油脂擦拭物上MDA浓度比从臭氧暴露志愿者身上采集的擦拭物高出一个数量级。（4）ICHEAR研究中，短袖穿着者的MDA浓度和暴露后/暴露前比值显著高于长袖穿着者。（5）在DTU研究中，臭氧暴露对TEWL无显著影响。（6）合并DTU和ICHEAR研究数据后发现，MDA与角鲨烯之间不存在显著相关关系。

## 三、关键技术方法

研究人员在受控气候舱内对志愿者进行全身臭氧暴露，暴露浓度涵盖室内外环境常见水平（17–70 ppb）。皮肤擦拭物采集采用异丙醇润湿的无纺布医用敷料或纱布垫，以标准化擦拭次数和面积从前臂皮肤采集样本。MDA的化学分析采用高效液相色谱（high-performance liquid chromatography，HPLC）结合荧光检测器，基于MDA与硫代巴比妥酸（thiobarbituric acid，TBA）在酸性加热条件下形成的加合物进行定量。角鲨烯和胆固醇采用气相色谱-质谱联用（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）分析。MDA浓度按采样皮肤面积归一化，角鲨烯浓度同时按皮肤面积和胆固醇含量归一化。体外对照实验将含皮肤油脂的擦拭物直接暴露于舱室空气，以区分臭氧在离体皮肤油脂上的化学反应与活体皮肤上的过程。

## 四、研究结果

### 4.1 DTU研究

暴露于臭氧后，皮肤擦拭物中MDA浓度显著高于暴露前水平；而无臭氧条件下暴露前后无显著差异。与参考条件（30% RH、35 ppb臭氧、3小时暴露）相比，无臭氧条件下MDA比值较低（p<0.05），臭氧浓度加倍时比值升高（p>0.05），暴露时间延长至6小时时比值显著升高（p<0.01）。暴露于臭氧后，从两名工作人员皮肤上采集的含油脂擦拭物中MDA含量较未暴露擦拭物高出一个数量级；即使在无臭氧的舱室空气中暴露，其MDA含量也显著高于未暴露擦拭物。皮肤MDA表现出显著的个体间和个体内变异性。臭氧暴露对前臂背侧和掌侧TEWL均无显著影响。

### 4.2 ICHEAR研究

臭氧存在条件下，暴露后皮肤擦拭物中MDA浓度显著高于暴露前；无臭氧时暴露后MDA浓度趋于降低。短袖穿着者的MDA浓度和暴露后/暴露前比值显著高于长袖穿着者（p<0.05），反映未着衣前臂更直接暴露于空气中臭氧的影响。年龄、温度和相对湿度对皮肤MDA浓度无显著影响。

### 4.3 EPFL研究

所有实验条件均涉及臭氧暴露，且均显著增加了皮肤MDA浓度。与混合风扇开启的短时暴露条件相比，混合风扇关闭的短时暴露和风扇开启的长时暴露条件下暴露后/暴露前MDA比值均显著降低（p<0.05和p<0.01）。研究还发现，较长暴露时间与较低换气率相关联，而臭氧在包括人体皮肤在内的表面上的摄取受边界层厚度强烈影响，可能解释了这一观察结果。

### 4.4 臭氧暴露对皮肤TEWL的影响

DTU研究的TEWL分析显示，臭氧暴露对皮肤屏障功能无显著影响。暴露前后TEWL数据高度相关，数据点紧邻等值线，MDA与TEWL之间关系非常微弱。

### 4.5 MDA与角鲨烯的关系

当臭氧存在时，DTU和ICHEAR合并数据中角鲨烯暴露后/暴露前比值显著低于无臭氧条件（p=0.004/0.002），证实臭氧消耗皮肤角鲨烯。臭氧存在时MDA/角鲨烯比值的暴露后斜率是暴露前的两倍以上（斜率2.2），而无臭氧时则无此效应（斜率0.79）。然而，暴露后/暴露前MDA比值与暴露后/暴露前角鲨烯比值之间未发现关联，四个回归模型均未显示角鲨烯对皮肤擦拭物中MDA的显著影响。合并图显示，皮肤上的角鲨烯并非MDA生成的直接驱动力，平行且可能相互关联的生成和损耗机制共同决定了两种化合物的浓度。

## 五、讨论与结论

### 5.1 主要发现的意义

皮肤MDA可作为臭氧暴露所致皮肤细胞膜脂质损伤的指示指标。在无炎症过程的情况下，臭氧驱动化学即可生成MDA，这一发现对理解环境臭氧暴露的健康效应具有重要意义。与直接暴露于臭氧的擦拭物上MDA的高生成率相比，志愿者皮肤上较低的MDA检出量提示皮肤上存在MDA去除机制，包括席夫碱加合物形成和经皮吸收等过程。环境因素和个人因素的综合影响决定了皮肤MDA的个体间和个体内变异性。角鲨烯和MDA之间的复杂平衡关系提示皮肤表面存在多重生成与损耗通路，包括皮脂分泌速率、臭氧与皮脂中不饱和脂质的直接反应、ROS介导的脂质过氧化以及MDA的吸附和加合物形成等过程。

### 5.2 研究结论

该研究表明：（1）在室内外环境常见臭氧水平下，受控全身人体暴露可显著增加皮肤表面的MDA，证实臭氧暴露可在无炎症过程的情况下通过臭氧与皮肤脂质的直接化学反应生成MDA。（2）皮肤MDA可以作为臭氧暴露所致皮肤细胞膜脂质损伤的生物标志物。（3）个体间和个体内变异受环境和个体因素综合影响。（4）皮肤油标志物角鲨烯与MDA的浓度分别受不同的，尽管可能相互关联的生成和损耗机制支配。（5）未来研究应扩大样本量、涵盖更多样的个人和环境条件，并增加角鲨烯单氢过氧化物（SQOOH）的同步测量。臭氧驱动的皮肤脂质损伤是否可增加皮肤对化学物质和生物因子（如细菌和病毒）的渗透性，值得进一步研究。