环境颗粒物对斑马鱼胚胎发育和基因表达的影响

本研究对比了标准PM10（S-PM10）和泰国Mae Moh电厂排放的PM（MMPS）对斑马鱼胚胎的毒性效应。结果显示，S-PM10因不规则形态和粒径分布导致胚胎发育异常和孵化率降低，而MMPS因球形均匀颗粒引发急性死亡率上升。基因表达分析表明两者分别激活氧化应激和凋亡相关基因。研究证实颗粒特性显著影响毒性机制，为评估PM毒性提供新依据。

Pinnakarn Techapichetvanich | Varissara Chantho | Siwapech Sillapaprayoon | Chatchai Muanprasat | Phisit Khemawoot | Wittaya Pimtong

曼谷玛希隆大学拉玛提博迪医院医学院转化医学项目，泰国曼谷10400

摘要

颗粒物（PM）对环境和人类健康构成威胁，但其在水生生物体内的毒性机制仍不清楚。本研究调查了两种颗粒物——一种标准参考物质（S-PM10，美国国家标准与技术研究院[NIST]提供）以及来自泰国Mae Moh发电厂的颗粒物（MMPS）对斑马鱼胚胎发育和基因表达的影响。将胚胎暴露于不同浓度的颗粒物中，评估了死亡率、孵化率和形态异常情况。S-PM10颗粒形状不规则且粒径范围较广，导致发育缺陷和孵化率下降；而MMPS颗粒呈均匀球形，导致更高的死亡率。qRT-PCR分析显示，S-PM10显著上调了氧化应激相关基因（sod1、gstp2）和凋亡相关基因（bax、casp3a）的表达；相比之下，MMPS则下调了氧化应激相关基因但上调了凋亡相关基因。这些结果表明，颗粒物的形态和大小会影响其毒性特征：S-PM10主要引发发育障碍，而MMPS则导致急性致死。本研究强调了颗粒物特性和分子反应在评估其毒性中的重要性。

引言

颗粒物（PM）是一种主要的空气污染物，对环境和人类健康有显著影响。接触PM与慢性呼吸道疾病（如哮喘和慢性阻塞性肺病）以及心血管并发症（包括动脉粥样硬化和心脏病发作风险增加）密切相关（Burnett等，2014；Bhatnagar，2022）。此外，PM能够穿透生物屏障，在中枢神经系统中引发氧化应激和炎症，从而导致神经发育迟缓和神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）（Kim等，2020；Hussain等，2023）。从生态学角度来看，PM会沉积在水环境中，改变水质并威胁水生生物，进而影响生态系统稳定性和食物链（Manisalidis等，2020）。这些颗粒物来源于多种途径，包括工业排放、发电厂、交通工具、农业活动和野火（Manisalidis等，2020）。直径2.5微米或更小的PM2.5颗粒已被广泛研究，但较大颗粒的毒理学特性仍知之甚少，尤其是其对脊椎动物胚胎发育的影响。因此，有必要进一步探讨颗粒物对生物系统的广泛影响。

鉴于这一需求，呼吸系统尤其容易受到PM及其他空气污染物（包括有毒金属、硫氧化物、氮氧化物和微生物）的伤害（Nie等，2024；Xue等，2022）。PM暴露与慢性阻塞性肺病、哮喘、动脉粥样硬化、肺泡壁增厚、促炎细胞浸润、肺纤维化甚至肺癌有关（Burnett等，2014；Gibelin和Couraud，2016；Hamra等，2014；Kim等，2015；Xia等，2016）。除了对呼吸系统的影响外，PM还会通过诱导氧化应激、炎症和活性氧（ROS）的产生对中枢神经系统造成严重危害，这些物质可能通过吸入或刺激促炎细胞因子进入大脑，导致血脑屏障损伤、小胶质细胞激活和表观遗传变化（Kim等，2020；Shang等，2023；Wang等，2017）。这些神经毒性过程对神经系统发育中的婴儿和儿童尤为危险，与神经发育障碍和神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）有关（Hussain等，2023）。PM还影响心血管、内分泌、免疫和眼部健康，体现了其广泛的毒理学效应（Bhatnagar，2022；Glencross等，2020；Saleem等，2024；Upaphong等，2024）。

由于斑马鱼的透明性、快速发育过程以及与人类的遗传相似性，它们已成为研究PM毒性的理想模型生物（Bambino和Chu，2017；Dai等，2014）。此外，斑马鱼胚胎允许实时观察发育过程，对环境污染物高度敏感，并能进行氧化应激、炎症和凋亡的分子水平研究（Cavalieri和Spinelli，2017；Dos Santos等，2022；Zakaria等，2018）。这些独特优势使得斑马鱼胚胎特别适合用于评估PM暴露的发育和机制效应。因此，我们在本研究中使用斑马鱼胚胎来评估泰国颗粒物的毒性。

位于泰国兰庞的Mae Moh发电厂因其大量的颗粒物排放而成为研究PM毒性的理想对象。该电厂自1978年开始运营，使用褐煤发电，仍是泰国北部主要的燃煤发电来源。尽管采用了烟气脱硫等技术减少二氧化硫排放，但先前的研究表明，Mae Moh发电厂排放的颗粒物仍含有多种有害化合物，会降低空气质量并对人类健康和周围环境构成威胁（Srisawasdi等，2021）。鉴于这些排放物可能对环境和人类健康造成危害，利用斑马鱼胚胎分析Mae Moh颗粒物的毒理学特性有助于制定减轻相关健康风险的策略。

本研究旨在评估Mae Moh发电厂颗粒物样本（MMPS）对斑马鱼胚胎发育的影响。研究同时与来自美国国家标准与技术研究院（NIST）的标准PM10参考物质（S-PM10）进行了对比。我们对斑马鱼胚胎进行了急性毒性测试，以评估这些颗粒物对存活率、孵化率、心率和形态的影响，并研究了这两种颗粒物类型对氧化应激、炎症和凋亡等关键生物过程的转录影响。

章节片段

颗粒物收集

本研究使用了两种颗粒物样本：环境颗粒物样本（Mae Moh发电厂颗粒物样本，MMPS）由Mae Moh发电厂（泰国兰庞县）提供；标准颗粒物参考物质（S-PM10）购自美国国家标准与技术研究院（NIST）。

颗粒物特性分析

MMPS的粒径分布...

粒径分布和形态分析

对于S-PM10颗粒，扫描电子显微镜（SEM）图像显示其形态不规则且粗糙（图1A）。颗粒大小不一，有些较尖锐，有些较圆润。表面有颗粒状结构，形状不均匀，表明颗粒大小和形状具有多样性。SEM分析显示平均粒径为9.39 ± 1.26 μm（N=20）。粒径分布数据显示，50%的颗粒体积属于...

讨论

本研究旨在评估来自泰国兰庞县Mae Moh地区的颗粒物（MMPS）与来自美国国家标准与技术研究院（NIST）的标准颗粒物参考物质（S-PM10）对斑马鱼胚胎的发育和转录影响。选择斑马鱼胚胎作为模型生物，是因为它们发育迅速、透明且与人类具有遗传相似性（Howe等，2013；Teame等，2019），便于观察...

结论

本研究强调了颗粒物特性对斑马鱼胚胎毒性的显著影响。研究发现，S-PM10和MMPS在生物体和分子层面表现出不同的毒性特征：S-PM10由于形态不规则和粗糙，主要通过氧化应激和凋亡导致发育异常（如孵化率下降和畸形）；而MMPS...

资金来源

本研究得到了曼希隆大学（基础研究基金：2022财年[BRF1-018/2565]）和泰国国家研究委员会（资助P. Khemawoot [350/2564]）的支持。

未引用的参考文献

(Wang等，2017)

CRediT作者贡献声明

Phisit Khemawoot：撰写、审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法设计、资金获取、概念构思。 Siwapech Sillapaprayoon：撰写、审稿与编辑、数据可视化、软件使用、实验设计。 Chatchai Muanprasat：撰写、审稿与编辑、监督、概念构思。 Wittaya Pimtong：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、验证、监督、资源协调、方法设计、数据分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

所有作者感谢Mae Moh发电厂（EGAT，泰国）提供的粉煤灰颗粒物样本。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益或个人关系。