The Constituent-Dependent Translocation Mechanism for PM2.5 to Travel through the Olfactory Pathway
PM₂.₅在嗅觉通路中组分依赖的迁移机制
Sheng Wei (魏晟), Ting Xu (徐挺)*, Miao Cao (曹淼), Huan Wang (王环), Yiqun Song (宋怡群), Daqiang Yin (尹大强)*
同济大学环境科学与工程学院
背景介绍
PM2.5的神经健康风险是全球关注的重要议题，PM2.5进入中枢神经系统的路径是亟待解决的重要科学问题。嗅觉系统由于其毗邻中枢神经系统的生理学特点，是外源物质进入中枢神经系统的关键路径之一。目前已有研究报道，在人的嗅神经和嗅球中观察到PM2.5的存在，但是PM2.5在嗅觉通路中迁移的分子机制依然不明。本研究利用小鼠原代嗅上皮细胞模型，探究PM2.5在嗅觉通路中的迁移机制以及不同组分在这一过程中发挥的作用。研究结果为深刻理解PM2.5进入中枢神经系统的潜在机制及其神经健康风险提供科学依据。
文章亮点
1. 嗅上皮细胞可响应于非水溶性PM2.5组分，通过Clathrin依赖的囊泡运输途径将PM2.5内吞至细胞内，为PM2.5的细胞内迁移提供路径。
2. 水溶性PM2.5组分可以通过引起线粒体自噬和细胞炎症，损伤嗅上皮细胞形成的生物屏障，为PM2.5的细胞旁迁移提供路径。
图文解读
1. 通过荧光染色和透射电镜观察，发现嗅上皮细胞可以通过囊泡将PM2.5内吞至细胞内。该过程主要由Clathrin网格蛋白依赖的囊泡运输途径实现，且水溶性PM2.5并不会引起Clathrin途径的相关基因表达上调，表明该过程仅响应于非水溶性PM2.5。通过引入Dynole 2-24抑制Clathrin网格蛋白的形成，进而干扰其囊泡运输过程，发现进入细胞内的PM2.5大量减少，进一步证明了Clathrin网格蛋白依赖的囊泡运输途径是PM2.5进入细胞内的关键机制。
图1 嗅上皮细胞通过Clathrin依赖的囊泡运输途径内吞PM2.5
2. 在透射电镜下观察到了水溶性PM2.5引起细胞器和细胞的损伤，进而猜测水溶性组分可以损伤嗅上皮细胞形成的致密屏障。通过Transwell构建了紧密的嗅上皮细胞屏障，结果发现水溶性PM2.5可以显著影响嗅上皮屏障的完整性，而非水溶性PM2.5对嗅上皮屏障的作用并不显著。进一步通过流式细胞术分析，发现嗅上皮细胞在水溶性PM2.5处理后，有更多的PM2.5穿越了嗅上皮屏障，表明水溶性PM2.5导致的嗅上皮屏障损伤为PM2.5提供了潜在的细胞旁迁移路径。
图2 PM2.5的不同组分对嗅上皮屏障的影响
3. 通过免疫荧光染色和共定位分析，发现水溶性PM2.5暴露后，嗅上皮细胞内发生明显的线粒体自噬，且TLR4-NFκB炎症信号被激活，细胞发生炎症反应。然而，非水溶性PM2.5并不能引起相似现象，表明水溶性PM2.5是引起嗅上皮细胞损伤的关键毒性组分，线粒体自噬和细胞炎症反应是导致嗅上皮屏障损伤的关键分子机制。
图3 PM2.5的不同组分对嗅上皮细胞线粒体自噬和炎症的影响
总结与展望
本研究发现了PM2.5在嗅觉通路中存在细胞内（非水溶性PM2.5主导）和细胞旁（水溶性PM2.5主导）两条迁移路径。研究结果提示，通过削减PM2.5中的关键毒性组分（如水溶性的重金属）和适当的药物干预（如氯喹，一种治疟疾药物，同时也是Clathrin网格蛋白形成的抑制剂）或许可以减轻PM2.5引起的神经健康风险。
第一作者：魏晟，同济大学环境科学与工程学院博士后。主要研究方向为环境污染物的感官毒理效应及其神经致毒机制。
通讯作者：徐挺，同济大学环境科学与工程学院教授，博士生导师。在Environ Sci Technol等杂志发表论文50余篇。主持国家自然科学基金、国家重大科技专项课题等10余项科研项目。长期从事持久性有机物/内分泌干扰物的感官和神经发育毒性研究。
共同通讯作者：尹大强，同济大学环境科学与工程学院教授，博士生导师。在Environ Sci Technol、Adv Mater等杂志发表论文400余篇，他引15000余次，H因子64。主持国家自然科学金重点项目、国家自然科学基金重大研究计划、国家水体污染控制与治理科技重大专项、中瑞国际合作项目等30余项，入选上海市领军人才，曾获国家自然科学奖二等奖、教育部自然科学奖一等奖等奖励。长期以来从事环境化学污染物生态毒理效应和生态风险、饮用水高风险污染物筛选和健康风险评价等相关研究。
E&H
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Environment & Health（《环境与健康》）由中国科学院生态环境研究中心和美国化学会出版部共同合作出版。作为一本国际化、高质量的开放获取期刊，Environment & Health致力于揭示环境暴露与人类健康之间的关系，探索潜在的公共卫生影响，为可持续发展和建立更健康的世界构建一个高水平国际学术交流平台。期刊聚焦不断变化的有害环境因素对人类健康的影响，重点报道具有重要意义的高水平原创研究，以及与环境和健康政策相关的创新理念。期刊将发表Research Article、Review、Policy Analysis、Perspective和Viewpoint等多种类型文章。所收稿件将经过严格、快速的同行评审。
Editor-in-Chief: Guibin Jiang
Executive Editor: Qian Liu
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