中科院城环所ES&T：细胞外囊泡是室内灰尘中环境过敏原的普遍且有效的载体

文摘 2024-12-24 17:25 浙江

摘要：全球过敏性疾病的发病率不断上升，对人类健康构成重大威胁。各种致敏物种释放的致敏蛋白在过敏性疾病的发病机制中起着关键作用，并且已在环境基质中广泛检测到。然而，环境过敏原的释放、存在及其与人体的相互作用仍有待阐明。在本研究中，我们报告了在五个省份的 75 户家庭的室内灰尘中广泛存在携带过敏原的细胞外囊泡（EVs）。细胞外囊泡(EVs)的粒径和丰度与特定环境因素相关。细胞外囊泡（EVs）表现出长期持久性和对环境压力的高抗性。宏基因组学和宏蛋白质组学数据显示，大多数室内致敏物种通过细胞外囊泡（EVs）将过敏原释放到灰尘中。与农村地区相比，城市地区观察到更高丰度的致敏物种及其衍生的细胞外囊泡（EVs）。酶联免疫吸附测定（ELISA）证实了与 EV 相关的过敏原的致敏活性。过敏原是细胞外囊泡（EVs）的常见成分，甚至是其标志物，各种致敏物种的数据汇编证明了这一点。与 EV 相关的过敏原比例因物种而异。细胞外囊泡(EVs)促进过敏原进入上皮细胞。鼻内给药的细胞外囊泡（EVs）可迅速转运至肺部和胃肠道。与非 EV 相关的过敏原相比，与 EV 相关的过敏原表现出更高的致敏性。我们的研究结果阐明了环境过敏原通过囊泡途径在细胞外囊泡（EVs）内释放、持续存在并引发过敏反应。

- 研究背景

- 过敏性疾病发病率上升，过敏原在发病机制中起关键作用，但环境过敏原的释放、存在和与人体的相互作用尚不清楚。

细胞外囊泡（EVs）是一种由磷脂双层包裹核酸、蛋白质和脂质的纳米颗粒，在介导免疫反应等方面发挥着关键作用，其在环境科学与健康领域的研究中备受关注，具体表现为：

- 结构与组成：具有磷脂双层膜结构，内部包裹着多种生物分子，如核酸、蛋白质和脂质等，这些成分使其具备了多样化的功能。

- 功能特性：作为有效的功能分子转运体，在免疫调节中扮演重要角色。例如，革兰氏阴性菌释放的EVs含有的脂多糖可引发免疫反应；室内灰尘及其致病菌来源的EVs能诱导炎症反应；血浆来源的EVs可携带过敏原，影响过敏反应。

- 在环境与健康研究中的意义：广泛存在于各种环境基质中，如室内灰尘。研究其在环境中的分布、特性以及与过敏原的关系，有助于深入理解环境过敏原的传播、致敏机制，为过敏疾病的预防、治疗以及环境健康风险评估提供重要依据，对探究过敏反应的发生机制和应对环境健康挑战具有重要价值。

- 细胞外囊泡（EVs）是有效的功能分子转运体，在免疫反应中起重要作用，但其携带环境过敏原的普遍性和致敏性有待验证。

- 研究方法

- 样本采集与处理：2022年7 - 10月在五个省份采集家庭灰尘样本，根据当地行政管理系统区分城乡，共采集37个农村和38个城市样本，同时收集居住者健康状况信息，经伦理委员会批准。对灰尘样本过滤、均质、分装并储存，提取DNA和蛋白质进行分析。

- 细胞外囊泡（EVs）分离与纯化：多个省份家庭灰尘混合，通过超速离心和密度梯度超速离心分离纯化细胞外囊泡（EVs），用多种方法鉴定、分析其形态、粒径分布、稳定性等。

- 其他实验方法：包括DNA提取与基因组测序、宏蛋白质组学分析、过敏原参考数据汇编、过敏原物种来源的EV相关蛋白收集与过敏原鉴定、培养过敏原物种并提取细胞外囊泡（EVs）、检测细胞外囊泡（EVs）中主要过敏原、细胞培养与刺激、细胞外囊泡（EVs）标记与追踪以及动物实验等，最后进行统计分析。

- 研究结果

- 过敏原物种来源的细胞外囊泡（EVs）在家庭灰尘中广泛存在

- 从全国项目中选择五个省份的家庭灰尘样本，通过密度梯度离心和TEM发现细胞外囊泡（EVs），其形态典型，双层膜结构，浓度和粒径与细菌、真菌相关，环境因素影响其粒径和浓度。稳定性测试显示细胞外囊泡（EVs）在室温下形态和蛋白含量可保持一定时间，对高温和蛋白酶K有抗性。

- 宏基因组测序表明灰尘中EV相关DNA主要来自细菌、真核生物和古菌，城市灰尘中过敏原物种及其细胞外囊泡（EVs）的数量和相对丰度高于农村。

图 1.家庭灰尘中致敏物种衍生的 EV 的普遍性。

- 家庭灰尘细胞外囊泡（EVs）携带多种过敏原

- 宏基因组和宏蛋白质组学分析显示室内灰尘细胞外囊泡（EVs）携带多种过敏原，来自不同分类单元，具有不同亚细胞定位，城市灰尘中EV相关过敏原相对丰度更高，ELISA证实其具有过敏原活性。

- 分析三种常见过敏原物种释放的过敏原在细胞外囊泡（EVs）和非EV上清液中的比例，发现细胞外囊泡（EVs）中过敏原占比因物种而异。

- 细胞外囊泡（EVs）作为过敏原载体在不同过敏原物种中普遍存在

- 分析18种过敏原物种的蛋白质组数据，预测大量EV相关过敏原，其比例因物种而异，包括多种临床重要过敏原，部分EV蛋白标记为过敏原，多数EV相关蛋白与过敏原相同。

- 细胞外囊泡（EVs）增强体外炎症反应：用BEAS - 2B细胞研究发现，过敏原物种来源的细胞外囊泡（EVs）可进入细胞，引发炎症因子表达升高，且比上清液（非EV成分）具有更强的促炎潜力，完整细胞外囊泡（EVs）的促炎潜力高于破碎细胞外囊泡（EVs）。

- 细胞外囊泡（EVs）有利于组织分布和小鼠过敏性气道炎症：通过IVIS追踪发现，花粉细胞外囊泡（EVs）在小鼠体内迅速分布到肺部和胃肠道等组织，小鼠实验表明细胞外囊泡（EVs）比上清液更能引发明显的过敏表型和炎症反应，血清和BALF中相关免疫指标变化证实了这一点。

- 研究结论

- 过敏原可存在于室内灰尘的细胞外囊泡（EVs）中，细胞外囊泡（EVs）相关过敏原稳定性高、致敏性强，是环境过敏原的载体和功能单位。

- 室内灰尘中细胞外囊泡（EVs）广泛存在，过敏原物种及其细胞外囊泡（EVs）在城市更丰富，环境因素影响其分泌。

- 细胞外囊泡（EVs）可携带多种过敏原，其作为过敏原载体在不同物种中普遍存在，部分EV标记为过敏原。

- 细胞外囊泡（EVs）可促进过敏原进入上皮细胞，引发炎症反应，在过敏过程中起重要作用，为过敏风险评估和控制提供了新视角。

- 环境意义：细胞外囊泡（EVs）作为新兴过敏原单位对环境和公共健康有重要影响，其广泛存在于家庭灰尘中，携带过敏原穿透气道上皮并运输到其他组织，增加致敏性和炎症，作为有效载体促进过敏反应，其特性对传统风险评估和缓解策略构成挑战，研究其机制对开发治疗干预措施至关重要。

Long, L., Xu, X., Duan, Y., Long, L., Chen, J., Yin, Y., Zhu, Y., & Huang, Q. (2024). Extracellular Vesicles Are Prevalent and Effective Carriers of Environmental Allergens in Indoor Dust. Environmental Science & Technology, XXXX, XXX-XXX. https://doi.org/10.1021/acs.est.4c10056

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