活性氧物種的生物學影響：EFPRs的作用
作者：Kalina Ranguelova，Bruker BioSpin高級EPR應用科學家
一段時間以來，人們已經知道，活性氧物種（ROS，即一種在外軌道上存在一個不成對電子的自由基）會與體內的生物分子發生反應，從而刺激炎癥反應，并通過氧化應激導致細胞損傷和死亡。ROS誘導的氧化應激被認為是許多急、慢性疾病的關鍵特征，由此激發了科學家們對ROS外源性和內源性來源的研究興趣越來越濃。空氣中的污染物、香煙煙霧和電離輻射是ROS的主要外源性來源，但它們同時也可能來自內源性來源，如炎癥細胞、細胞代謝或細胞器損傷。分子可以通過氧化還原反應獲得或失去電子，從而產生ROS，如超氧陰離子（O2•–）、過氧化氫（H2O2）和羥基自由基（•OH）。
在有機物質燃燒的過程中，各種副產物會與金屬氧化物顆粒物（PM）發生反應，并在其表面形成對環境具有持久性的自由基（EPFR）。這些自由基可以在空氣中留存數天至數周，遠遠超過其它自由基的留存時間，且能產生穩定的ROS流。雖然EPFRs并不是什么新的發現，但其對人類健康的長期影響才剛開始為人們了解。諸多研究也把重心放在其對心肺健康的影響，其中一些研究表明，EPFR會加劇哮喘和慢性阻塞性肺病（COPD）等的既有病癥，而且還會影響基本的心肺功能。
體內ROS
由于ROS的過度生成，進入體內的EPFR會引發氧化應激狀態。ROS通常是機體氧代謝的天然副產物，在細胞信號傳導和體內穩態等生物過程中發揮重要作用。然而，由內源性或外源性自由基引起的氧化應激對細胞結構和功能都會造成極大破壞。有害影響通常由DNA或RNA損傷、脂質過氧化、蛋白質中氨基酸的氧化或特定酶的氧化失活引起。
與氧化應激一樣，暴露于外源性ROS（如來自空氣污染物的EPFRs）,可導致上皮細胞和結構細胞炎癥。在正反饋回路中，參與炎癥反應的白細胞和巨噬細胞可以釋放ROS，從而加劇氧化應激。•OH自由基是活性最強的ROS之一，可損傷所有類型的大分子。眾所周知，顆粒（PM）污染物富含鐵，引起氧化應激，通過H2O2（與•OH相比相對穩定）與亞鐵（Fe(II)）的芬頓反應在肺部生成•OH [1]。
肺部和心血管疾病
ROS誘導的氧化應激被認為是吸入空氣中PM顆粒導致健康并發癥的最重要原因之一。ROS可通過多種途徑引起或加劇肺部或心血管病癥。例如，脂質過氧化會通過產生丙二醛導致肺部炎癥，丙二醛可使許多細胞蛋白失活，引起肺泡細胞壁破壞和肺氣腫的發展 [1]。這些活性醛類通常被用作呼吸系統疾病（如COPD和哮喘）中氧化應激的生物標志物 [2]。COPD還與由免疫細胞（如巨噬細胞和中性粒細胞）激活導致的ROS釋放有關。
研究表明，許多PM吸入成分可誘導氧化應激，增加炎癥細胞因子的分泌，并激活肺部的芳香烴受體（AhR）系統 [3]。一項研究對EPFR誘導的氧化劑損傷與肺上皮細胞產生的細胞因子增加之間的聯系機制進行了考察。研究人員用亞毒性水平的EPFR處理人類支氣管上皮細胞，并測量ROS和細胞因子的產生，結果表明，EPFR誘導的ROS的產生和氧化應激導致生物分子氧化，產生可激活AhR的小分子代謝物 [4]。這種激活導致CYP1A1（一種氧化劑的產生酶和AhR生物標記物）表達的增加，由此進一步刺激細胞ROS的產生。該研究還得出結論，鑒于AhR在肺遠端組織中的廣泛表達，以及這些代謝物全身循環的可能性，進一步研究它們與心血管疾病的關聯機制，以有其它已知與PM吸入相關的疾病的聯系機制，將是十分有益的。
多項研究一致表明，暴露于超細PM會導致心臟病和心肺疾病的增加 [5]，但很少有研究調查顆粒物（尤其是EPFR）對心臟基礎功能的影響。相比普通超細PM，研究人員對與EPFR關聯的毒性特征頗有興趣。有研究發現，與惰性二氧化硅顆粒相比，吸入EPFR模型顆粒可顯著降低健康大鼠的基礎心臟功能，表現為搏出量、心輸出量和搏出功的降低 [6]。同時，舒張末期容積和舒張末期壓力也顯著降低，但心室收縮力和舒張力保持不變。通過測定C反應蛋白（CRP），可以發現，這些EPFR還顯示出全身炎癥的產生以及大鼠左心室氧化應激標記物的增加。
這些實驗首次表明，短期吸入EPFR可降低大鼠的左心室基礎功能，主要是由于肺血管阻力增加和顆粒介導的肺部炎癥。這類研究正在邁出重要的一步，將進一步加深我們對這些長期存在于空氣中的自由基如何危害公共健康的理解。
檢測EPFR
檢測空氣中EPFR的能力對于研究空氣污染之于公眾健康的影響至關重要。電子順磁共振（EPR）波譜學是一種檢測具有不成對電子的物種的可靠技術，可在幾秒鐘內收集數據，以確定物種的身份和定量信息。EPR能夠以非侵入性方式監測環境PM中固有的短壽命自由基（ROS）和長壽命EPFR的生成情況。EPR還可用于確定PM的氧化電位，這對于預測可能的不良健康影響至關重要。
根據EPR波譜特征（g因子），EPFR可被識別為O-中心半醌或C-中心多環芳烴（PAH）自由基。
圖1顯示了采用化學惰性二氧化硅作為基底粒子的替代粒子- EPFR系統的EPR光譜[2]。銅（II）氧化物（Cu(II)O）是過渡金屬氧化物，它可以促進EPFR的形成，自由基2-單氯酚(MCP)由于其可以在Cu(II)O表面形成EPFR而被使用。為了更好地了解EPFR金屬氧化物顆粒對人類支氣管上皮細胞的可能影響，我們對這種自由基顆粒系統（MCP230）進行了研究。結果表明，由于2-MCP與金屬氧化物之間的電子轉移，形成兩個順磁中心。該研究進一步發現，MCP230比CuO /二氧化硅暴露時間長，對支氣管上皮細胞的毒性更強，這與更大的氧化應激和脂質過氧化有關。
EPFR也可以形成并存在于土壤。土壤中含有的過渡金屬可引發與空氣中同類物質的芬頓反應，從而產生ROS。含有EPFRs的受污染土壤會以粉塵的形式飄散于空氣中，導致吸入性接觸，從而對健康造成不利影響。用于檢測、監測和評估土壤中EPFRs對健康和環境影響的技術（如EPR波譜）極為重要（圖2）。EPR能夠監測自由基信號，并確定其穩定性和持久性，這對于加深對EPFR特性隨時間變化的理解至為關鍵。
對五氯酚（PCP）、多環芳烴（PAH）、多氯聯苯（PCB）和多溴聯苯醚（PBDE）等有害化合物污染土壤的實驗顯示，十年至一個世紀前受污染的場地中仍含有自由基，這表明分子污染物會不斷形成EPFR [7]。先前的研究也將EPFR的形成歸因于PCP對過渡金屬的化學吸附和電子轉移，以及土壤中的其它電子冷阱 [8]。研究認為，在不受控制的污染場所，含有受污染沉積物的水或因風蝕而吸入的空氣粉塵可能會影響人類的肺部和心血管健康。
有關EPFR的未來研究工作
除了目前關于EPFRs健康影響的研究工作外，還需要作進一步的毒理學考察，從而確定生物標記物以支持流行病學研究，并判斷目前和以往的暴露水平。其它病癥如糖尿病也可能與接觸EPFRs有關，因此這些機制也需要進一步深入探討。最近的一項研究將妊娠期接觸EPFRs與大鼠骨骼肌能量消耗減少和線粒體損傷相聯系[9]，這可能對挖掘肥胖病理學機制產生影響。
通過闡明這些長期存在的自由基的真正副作用，有助于制定更嚴格的污染法規，以防止疾病的發展。通過加深對EPFR的生物醫學研究，還有望為受EPFR影響的患者帶來更具針對性的治療。
如需進一步了解布魯克的EPR波譜解決方案，請訪問https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/mr/epr-instruments.html
參考文獻：
關于布魯克
50多年來，布魯克已幫助科研人員取得可提高人類生活品質的突破性發現，并開發出諸多新的應用。布魯克的高性能科研儀器和寶貴的分析解決方案，使科研人員得以在分子、細胞和微觀水平上開展對生命和材料的探索。
通過與客戶的密切合作，布魯克致力于幫助實現創新、生產力提升以及客戶成功，領域涉及生命科學分子研究、制藥應用、顯微鏡、納米級分析、工業應用，以及細胞生物學、臨床前成像、臨床研究、微生物學和分子診斷。更多信息，請訪問：http://www.bruker.com。
一段時間以來，人們已經知道，活性氧物種（ROS，即一種在外軌道上存在一個不成對電子的自由基）會與體內的生物分子發生反應，從而刺激炎癥反應，并通過氧化應激導致細胞損傷和死亡。ROS誘導的氧化應激被認為是許多急、慢性疾病的關鍵特征，由此激發了科學家們對ROS外源性和內源性來源的研究興趣越來越濃。空氣中的污染物、香煙煙霧和電離輻射是ROS的主要外源性來源，但它們同時也可能來自內源性來源，如炎癥細胞、細胞代謝或細胞器損傷。分子可以通過氧化還原反應獲得或失去電子，從而產生ROS，如超氧陰離子（O2•–）、過氧化氫（H2O2）和羥基自由基（•OH）。
在有機物質燃燒的過程中，各種副產物會與金屬氧化物顆粒物（PM）發生反應，并在其表面形成對環境具有持久性的自由基（EPFR）。這些自由基可以在空氣中留存數天至數周，遠遠超過其它自由基的留存時間，且能產生穩定的ROS流。雖然EPFRs并不是什么新的發現，但其對人類健康的長期影響才剛開始為人們了解。諸多研究也把重心放在其對心肺健康的影響，其中一些研究表明，EPFR會加劇哮喘和慢性阻塞性肺病（COPD）等的既有病癥，而且還會影響基本的心肺功能。
體內ROS
由于ROS的過度生成，進入體內的EPFR會引發氧化應激狀態。ROS通常是機體氧代謝的天然副產物，在細胞信號傳導和體內穩態等生物過程中發揮重要作用。然而，由內源性或外源性自由基引起的氧化應激對細胞結構和功能都會造成極大破壞。有害影響通常由DNA或RNA損傷、脂質過氧化、蛋白質中氨基酸的氧化或特定酶的氧化失活引起。
與氧化應激一樣，暴露于外源性ROS（如來自空氣污染物的EPFRs）,可導致上皮細胞和結構細胞炎癥。在正反饋回路中，參與炎癥反應的白細胞和巨噬細胞可以釋放ROS，從而加劇氧化應激。•OH自由基是活性最強的ROS之一，可損傷所有類型的大分子。眾所周知，顆粒（PM）污染物富含鐵，引起氧化應激，通過H2O2（與•OH相比相對穩定）與亞鐵（Fe(II)）的芬頓反應在肺部生成•OH [1]。
肺部和心血管疾病
ROS誘導的氧化應激被認為是吸入空氣中PM顆粒導致健康并發癥的最重要原因之一。ROS可通過多種途徑引起或加劇肺部或心血管病癥。例如，脂質過氧化會通過產生丙二醛導致肺部炎癥，丙二醛可使許多細胞蛋白失活，引起肺泡細胞壁破壞和肺氣腫的發展 [1]。這些活性醛類通常被用作呼吸系統疾病（如COPD和哮喘）中氧化應激的生物標志物 [2]。COPD還與由免疫細胞（如巨噬細胞和中性粒細胞）激活導致的ROS釋放有關。
研究表明，許多PM吸入成分可誘導氧化應激，增加炎癥細胞因子的分泌，并激活肺部的芳香烴受體（AhR）系統 [3]。一項研究對EPFR誘導的氧化劑損傷與肺上皮細胞產生的細胞因子增加之間的聯系機制進行了考察。研究人員用亞毒性水平的EPFR處理人類支氣管上皮細胞，并測量ROS和細胞因子的產生，結果表明，EPFR誘導的ROS的產生和氧化應激導致生物分子氧化，產生可激活AhR的小分子代謝物 [4]。這種激活導致CYP1A1（一種氧化劑的產生酶和AhR生物標記物）表達的增加，由此進一步刺激細胞ROS的產生。該研究還得出結論，鑒于AhR在肺遠端組織中的廣泛表達，以及這些代謝物全身循環的可能性，進一步研究它們與心血管疾病的關聯機制，以有其它已知與PM吸入相關的疾病的聯系機制，將是十分有益的。
多項研究一致表明，暴露于超細PM會導致心臟病和心肺疾病的增加 [5]，但很少有研究調查顆粒物（尤其是EPFR）對心臟基礎功能的影響。相比普通超細PM，研究人員對與EPFR關聯的毒性特征頗有興趣。有研究發現，與惰性二氧化硅顆粒相比，吸入EPFR模型顆粒可顯著降低健康大鼠的基礎心臟功能，表現為搏出量、心輸出量和搏出功的降低 [6]。同時，舒張末期容積和舒張末期壓力也顯著降低，但心室收縮力和舒張力保持不變。通過測定C反應蛋白（CRP），可以發現，這些EPFR還顯示出全身炎癥的產生以及大鼠左心室氧化應激標記物的增加。
這些實驗首次表明，短期吸入EPFR可降低大鼠的左心室基礎功能，主要是由于肺血管阻力增加和顆粒介導的肺部炎癥。這類研究正在邁出重要的一步，將進一步加深我們對這些長期存在于空氣中的自由基如何危害公共健康的理解。
檢測EPFR
檢測空氣中EPFR的能力對于研究空氣污染之于公眾健康的影響至關重要。電子順磁共振（EPR）波譜學是一種檢測具有不成對電子的物種的可靠技術，可在幾秒鐘內收集數據，以確定物種的身份和定量信息。EPR能夠以非侵入性方式監測環境PM中固有的短壽命自由基（ROS）和長壽命EPFR的生成情況。EPR還可用于確定PM的氧化電位，這對于預測可能的不良健康影響至關重要。
根據EPR波譜特征（g因子），EPFR可被識別為O-中心半醌或C-中心多環芳烴（PAH）自由基。
圖1：超細顆粒的物理性質：CuO/二氧化硅和CuO/二氧化硅在230°C下暴露于2-一氯酚（MCP230）的EPR波譜（EMXplus EPR波譜儀，Bruker BioSpin）。經許可從參考文獻 [2]中復制。
（圖例：
Signal Intensity, spins/g 信號強度，自旋/g
g value g值）
（圖例：
Signal Intensity, spins/g 信號強度，自旋/g
g value g值）
圖1顯示了采用化學惰性二氧化硅作為基底粒子的替代粒子- EPFR系統的EPR光譜[2]。銅（II）氧化物（Cu(II)O）是過渡金屬氧化物，它可以促進EPFR的形成，自由基2-單氯酚(MCP)由于其可以在Cu(II)O表面形成EPFR而被使用。為了更好地了解EPFR金屬氧化物顆粒對人類支氣管上皮細胞的可能影響，我們對這種自由基顆粒系統（MCP230）進行了研究。結果表明，由于2-MCP與金屬氧化物之間的電子轉移，形成兩個順磁中心。該研究進一步發現，MCP230比CuO /二氧化硅暴露時間長，對支氣管上皮細胞的毒性更強，這與更大的氧化應激和脂質過氧化有關。
EPFR也可以形成并存在于土壤。土壤中含有的過渡金屬可引發與空氣中同類物質的芬頓反應，從而產生ROS。含有EPFRs的受污染土壤會以粉塵的形式飄散于空氣中，導致吸入性接觸，從而對健康造成不利影響。用于檢測、監測和評估土壤中EPFRs對健康和環境影響的技術（如EPR波譜）極為重要（圖2）。EPR能夠監測自由基信號，并確定其穩定性和持久性，這對于加深對EPFR特性隨時間變化的理解至為關鍵。
圖2：受污染（紅色）和未受污染（藍色）土壤的總體土壤EPR波譜。受污染土壤顯示出強烈的中心信號。經許可從參考文獻 [8]中復制。
（圖注：
Relative Intensity 相對強度
g Factor g 因子
contaminated soil 受污染土壤
non-contaminated soil 未受污染土壤）
（圖注：
Relative Intensity 相對強度
g Factor g 因子
contaminated soil 受污染土壤
non-contaminated soil 未受污染土壤）
對五氯酚（PCP）、多環芳烴（PAH）、多氯聯苯（PCB）和多溴聯苯醚（PBDE）等有害化合物污染土壤的實驗顯示，十年至一個世紀前受污染的場地中仍含有自由基，這表明分子污染物會不斷形成EPFR [7]。先前的研究也將EPFR的形成歸因于PCP對過渡金屬的化學吸附和電子轉移，以及土壤中的其它電子冷阱 [8]。研究認為，在不受控制的污染場所，含有受污染沉積物的水或因風蝕而吸入的空氣粉塵可能會影響人類的肺部和心血管健康。
有關EPFR的未來研究工作
除了目前關于EPFRs健康影響的研究工作外，還需要作進一步的毒理學考察，從而確定生物標記物以支持流行病學研究，并判斷目前和以往的暴露水平。其它病癥如糖尿病也可能與接觸EPFRs有關，因此這些機制也需要進一步深入探討。最近的一項研究將妊娠期接觸EPFRs與大鼠骨骼肌能量消耗減少和線粒體損傷相聯系[9]，這可能對挖掘肥胖病理學機制產生影響。
通過闡明這些長期存在的自由基的真正副作用，有助于制定更嚴格的污染法規，以防止疾病的發展。通過加深對EPFR的生物醫學研究，還有望為受EPFR影響的患者帶來更具針對性的治療。
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50多年來，布魯克已幫助科研人員取得可提高人類生活品質的突破性發現，并開發出諸多新的應用。布魯克的高性能科研儀器和寶貴的分析解決方案，使科研人員得以在分子、細胞和微觀水平上開展對生命和材料的探索。
通過與客戶的密切合作，布魯克致力于幫助實現創新、生產力提升以及客戶成功，領域涉及生命科學分子研究、制藥應用、顯微鏡、納米級分析、工業應用，以及細胞生物學、臨床前成像、臨床研究、微生物學和分子診斷。更多信息，請訪問：http://www.bruker.com。
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