PM2.5颗粒为什么会影响人体健康?

编者按:力学研究所非线性力学国家重点实验室的胡国庆研究小组开展了有关纳米颗粒与人体肺表面活性剂单层膜作用的研究,相关成果在国际学术刊物《ACS Nano》上发表(2013, 7, 10525–10533),它对PM2.5一类细颗粒物如何会影响人体健康做出了一种解释,因而引起了广泛关注。本刊特此刊载博士研究生焦豹撰写的一篇科普短文,简单介绍这项工作。



2014年1月7日上午,中国传媒大学有声媒体语言监测与研究中心发布了“2013媒体关注度十大榜单”,包括“十大新闻热点”、“十大公益活动”、“十大中国style”等等。这20份榜单及其排序完全依据客观数据,其产生的方法与程序是:运用现代语言监测技术,形成海量的动态流通语料库(其来源是人民日报等7家主流报纸、中央电视台等24家电视台及电台的节目转写文本、4个门户网站的网络新闻所构成的162万个文本,时间跨度为2013年1月1日至2013年12月31日),通过对这个约计16亿字的语料进行统计、计算以及自动提取候选,最后再由人工确认。在“十大新闻热点”的榜单中,“雾霾”竟高居第三位,它在媒体中使用的频次为70993次,而出现频次最高的时段为1月和12月。这正好对应于全年两次最严重的雾霾污染事件:1月份出现在北京(参见图1),12月份出现在长江三角洲。如果说,以前我们用“谈虎色变”的成语来描述人们对某个事物的恐惧心理的话,那么近来采用“遇霾色变”来形容人们对这种大气污染的担忧心情并非夸张之说。

图1 雾霾中的北京

现在大家都知道,雾霾是因为大气中含有许多细颗粒物,目前大气的污染物指数是按照PM2.5浓度来发布的。这里的PM是英文“细颗粒物”的字头缩写,而2.5则表示颗粒直径为2.5微米(这个尺寸是人类头发直径的二十分之一)。为什么PM2.5如此令人担忧呢?原来它不仅降低能见度影响交通出行,而且会直接伤害人们的身体健康。科学家告诉我们,当空气中细颗粒的直径小于10微米时,它便能够到达咽喉,因此被称为“可吸入颗粒物”。当颗粒物直径小于2.5微米,甚至是纳米量级时,人类咽喉表面粘膜细胞的纤毛及其分泌的粘液也阻挡不了它们了,这些纳米颗粒便可以到达下呼吸道的细支气管内并沉积到肺泡上(参见图2)。PM2.5颗粒物的表面携带着许多有害的有机、无机分子,可以像细菌一样对人体造成伤害。例如,它们可以导致呼吸道的炎症。由于是无生命的非生物体,其危害甚至高于细菌。特别要指出的是,那些到达肺泡的纳米颗粒,不仅由于沉积在肺泡上而引起病症,而且它们可能穿越肺泡进一步由此进入毛细血管再进入血液。如果颗粒带有苯并芘等类污染物,就具有强致癌性,可能对生命造成更大的伤害。当然,这里面的致病道理需要请教医生或病理专家,我们力学工作者则努力尝试用力学方法来解释微纳米尺度的颗粒是如何穿越肺泡的。现在来看看这项工作是怎样做的吧!

图2 大部分吸入的纳米颗粒将沉积到肺泡附近并与肺表面活性剂发生相互作用

作为呼吸免疫系统的第一道防线,肺表面活性剂分子膜与可吸入细颗粒物的相互作用代表了肺部最初始的生物-纳米作用。这类相互作用决定了吸入颗粒的最终归宿、毒性效应及潜在的药物用途。由于颗粒尺度小于2.5微米,很大部分在纳米量级,所以它们能被吸入。这些被吸入的纳米颗粒将沉积到肺泡附近,并与肺表面活性剂发生相互作用。其复杂作用机制与纳米颗粒的物理化学特性密切相关,也依赖于肺表面活性剂的分子组成、动态表面相变行为、单层膜生物力学特性等,这些因素在研究中都要考虑。

为了研究纳米颗粒与肺表面活性剂单层膜(以下简称PS膜)的相互作用,力学工作者首先要建立一个分子动力学模拟体系(见图3)。不言而喻,“分子动力学模拟”就是利用计算机来模拟研究分子在力场作用下的运动情况,本研究使用的是martini力场。可能细心的读者要问:不是研究纳米颗粒与单层膜的作用吗?为什么图3的体系里有两个膜呢?这是因为使用对称结构方便处理体系的边界条件,又能够增加模拟结果的采样空间。得到结果只要取一半来分析便可以了。

图3 分子动力学模拟体系示意图

从图3可以看到,假定两个单层膜对称地分布在水(Water)和空气(Air,在模拟中用真空代替)的界面上,纳米颗粒对称的分布在接近单层膜的空气中。每个单层膜中含有1120个DPPC 磷脂分子、480个POPG磷脂分子,而SP-C和SP-B1-25 蛋白分子各有7个。这样,单层膜中的各分子成分和比例与天然肺表面活性剂中的相同。模拟体系中含有158258个水分子、1022个钠离子,整个模拟体系呈现电中性。图中右侧是膜体系的结构细节示意,包括水、单层膜和纳米颗粒。模拟体系的初始大小是31×31×100 纳米,三个方向都使用周期边界条件。在z方向上设置了足够大的空气区域,这样就可以避免两个单层膜之间的相互作用影响。这里,定义z方向的零点(0)是上面一个单层膜中磷脂分子头部原子密度(Density of the lipid headgroup)的最大处。

为了加快计算速度,这项研究采用“粗粒化”分子动力学模型。不难理解,所谓“粗粒化”分子就是把全原子模型中的三个或者四个重原子(非氢原子)简化为一个新的原子(粗粒化原子),再由这些粗粒化原子构成粗粒化分子。使用粗粒化模型的优势是在保障模拟精度的同时,减少计算量,加快计算速度。图4给出了粗粒化模型的分子示意,图中左侧是单层膜的俯视图,显示了其结构的细节,其中绿色的是DPPC磷脂分子,黄色的是POPG磷脂分子,橙色的是SP-C蛋白质分子,紫色的是SP-B1-25蛋白质分子,这样显示了这四种分子的全原子分子模型与粗粒化分子模型之间的对应关系。模拟研究中用的纳米颗粒直径约为5纳米,这里按照其带电情况,给出了三种类型:Cationic为带正电荷的,Neutral为电中性的,Anionic为带负电荷的。纳米颗粒的表面电荷随机分布,密度约为每平方纳米1个单位电量。电中性的粗粒化原子是黑色,带正电荷的粗粒化原子是红色,带负电荷的粗粒化原子是蓝色。为了显示的方便,本文下面给出的结果示意图中,表面带正电荷和负电荷的纳米颗粒均分别用红色和蓝色球体表示,电中性的纳米颗粒则是黑色的。

图4 粗粒化模型的分子示意图

如前所述,纳米颗粒的物理化学特性会影响它们与PS膜的相互作用,所以这项工作中还要通过实验来测量不同颗粒的亲疏水性及表面电荷,然后运用分子动力学模拟研究纳米颗粒与天然肺表面活性剂单层膜相互作用的机理。图5给出了在固定模拟体积的情况下,不同性质的纳米颗粒(图中,hydrophilic为亲水性的,hydrophobic为疏水性的)穿越PS 膜过程中的位置及相应的平均力势PMF的变化。这里所计算的PMF(Potential of Mean Force)就是人为地把纳米颗粒从空气中拉入水中,记录拉动过程中,纳米颗粒与单层膜之间的势能的变化。

图5 (a)纳米颗粒位置随时间的变化; (b)纳米颗粒与PS 膜之间的PMF

从图5中可以看出:所有的亲水性纳米颗粒都很快穿过了PS膜,进入水中;而疏水性的纳米颗粒被“捕获”在空气和水的界面上,即PS 膜中。因此人们可以得知:亲疏水性在纳米颗粒穿越PS膜的过程中起主要作用;而纳米颗粒的表面电荷性质只起次要作用。图5还表明:表面带正电荷的亲水性纳米颗粒的位置比不带电和带负电的纳米颗粒位置更接近界面。这是因为纳米颗粒表面的正电荷吸引了PS膜中的POPG 分子(因为POPG 分子的头部是带负电荷的)。亲水电中性和带负电的纳米颗粒的PMF最终趋于稳定,是因为纳米颗粒穿过单层膜之后,逐渐不再与单层膜发生相互作用。而带正电荷的亲水性纳米颗粒和疏水性纳米颗粒穿过单层膜之后,仍然与单层膜相连并发生相互作用。

在固定模拟体积条件下,纳米颗粒在单层膜中达到稳定之后,我们横向压缩模拟体系,以此来模拟呼吸中的呼气过程。研究发现,压缩过程中,单层膜会形成脂蛋白冕;而且纳米颗粒的亲疏水性和表面电荷影响脂蛋白冕的构型。图6和图7分别给出了亲水性和疏水性纳米颗粒的计算机模拟结果,这里清楚地展示了在单层膜内壁处形成了附着的突起结构,它们就是所谓的“脂蛋白冕”。在这两幅图中,(a-c)三列分别是肺表面活性剂单层膜与表面带正电荷(红色),电中性(黑色),表面带负电荷(蓝色)纳米颗粒之间相互作用的示意图;每一行则是肺表面活性剂单层膜的不同压缩状态,它们分别为60.0,51.4,和44.1 ?2/molecule(这里?是长度单位“埃”,?2/molecule表示每个分子所占的面积)。此外PS膜中分子的颜色仍同前面的一样:绿色为DPPC磷脂分子,黄色为POPG 磷脂分子,橙色为SP-C蛋白质分子, 紫色为SP-B1-25蛋白质分子。下面将具体地说明这些数值模拟的结果。

图6 亲水性纳米颗粒与单层膜在压缩状态下的相互作用

图6是利用分子动力学方法,模拟不同表面电荷的亲水性纳米颗粒与肺表面活性剂单层膜在压缩状态下相互作用的结果。可以发现,所有的亲水性纳米颗粒都能够穿过肺表面活性剂单层膜。SP-B1-25蛋白分子被表面带负电荷的纳米颗粒选择性地吸附并且被拉出肺表面活性剂单层膜。

图7 疏水性纳米颗粒与单层膜在压缩状态下的相互作用

图7给出的是,不同表面电荷的疏水性纳米颗粒与肺表面活性剂单层膜在压缩状态下相互作用的分子动力学模拟结果。可以发现,所有的疏水性纳米颗粒都会停留在肺表面活性剂单层膜中,倾向于停留在压缩过程中磷脂分子的疏水性核心中。为了清晰地显示纳米颗粒表面吸附的分子,第三行插入了去掉正视图中部分磷脂分子后,纳米颗粒与表面活性剂蛋白/磷脂形成的结构示意图。这些图清晰地表明:只有表面带负电荷的纳米颗粒(蓝色)可以选择性地吸附SP-B1-25蛋白分子(紫色);表面带正电荷和电中性的纳米颗粒表面虽然可能与SP-B1-25蛋白分子有接触,但都没有吸附在纳米颗粒表面。

纳米颗粒与肺表面活性剂的相互作用及其脂蛋白冕的形成,不仅影响肺表面活性剂单层膜的生理特性,还将对随后的颗粒表面生物分子交换、与肺细胞的相互作用、颗粒进入不同组织和器官等过程产生影响。所以,这个研究不仅揭示了PM2.5纳米颗粒影响人体健康的机理,还可以给出进一步的建议:在设计基于纳米颗粒的吸入式给药方式时,应当考虑纳米颗粒-肺表面活性剂脂蛋白复合体的特性。


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