摘要：黑碳或元素碳（EC）对急性呼吸系统毒性的作用尚不明确。复旦大学李庆教授团队通过体外气道类器官和细胞系，评估了EC对细颗粒物（PM）引起的短期毒性（包括细胞毒性和氧化应激效应）中的作用。该文指出EC并不是急性毒性的诱发原因，其主要毒性来源是多环芳烃（PAH）。该
黑碳或元素碳（EC）对急性呼吸系统毒性的作用尚不明确。复旦大学李庆教授团队通过体外气道类器官和细胞系，评估了EC对细颗粒物（PM）引起的短期毒性（包括细胞毒性和氧化应激效应）中的作用。该文指出EC并不是急性毒性的诱发原因，其主要毒性来源是多环芳烃（PAH）。该研究为理解空气污染对呼吸健康的风险提供了新的因果证据，并为制定有效的空气污染控制政策提供了科学依据。
文章介绍
题目：人源类器官和细胞模型中的元素碳暴露与短期呼吸道毒性之间缺乏因果关系
杂志：Environmental science & technology
影响因子：10.8
发表时间：2024年12月
#1
研究背景
Background
EC是大气中PM的主要成分之一，主要由煤、木材和柴油机等不完全燃烧产生。研究表明EC与负面健康结果之间有显著相关性，尤其与呼吸系统和心血管疾病等有很强的关联。尽管观察性流行病学研究表明EC具有高毒性，但仍然缺乏毒理学实验研究的证据。EC多出现在焦炭和烟尘的形成过程中，而焦炭和烟尘常常与其他有毒物质混合在一起出现在PM中，难以直接从PM样本中分离它们。因此，在EC的毒性效应实验使用了含有有毒物质或单一结构类似物质的不纯EC样本，并没有区分焦炭和烟尘的形式。本研究通过体外人源支气管上皮细胞系和气道类器官，阐明EC在PM诱导的呼吸毒性中的作用，进一步分析了烟尘/炭和共排放PAH对大气PM2.5毒性的作用。所获得的结果有助于填补目前毒理学数据的空白，深入了解EC与其不良健康后果之间的联系。
#2
研究思路
Methods
采集燃煤电厂和三个不完全燃烧源（住宅燃烧、船舶尾气和柴油车辆尾气）的PM2.5样本，使用热/光碳分析仪分析收集的PM2.5样本中的EC分数，对体外人源类器官和细胞系进行毒理学研究。
#3
研究结果
Results
1. EC在PM中的质量-毒性贡献不均衡
接触焦碳或烟尘在细胞内会产生微弱的细胞毒性（CT）和氧化应激（OS），仅占典型空气传播PM总毒性的一小部分。通过确定IC和EC值来分别量化OS和CT的效应终点。焦炭和烟尘引起的CT值比苯并(a)芘（BAP，一种PAH）低两个数量级，OS效应低三个数量级。焦碳或烟尘也存在差异，焦碳的CT效应是烟尘两倍，ROS生成低1.8倍，这可能是由于化学和物理特性差异导致的。焦炭热解过程中具有丰富的氧/氮官能团，结构中嵌入少量金属，导致了更多的细胞毒性；烟尘中的气体分子碰撞反应可能导致相对较高的OS效应。从三个地理位置不同的区域收集PM2.5样本用于评估焦碳和烟尘对PM诱导的CT和OS效应的贡献。结果显示，焦碳和烟尘质量比例比PAH高两个数量级，它们对PM2.5毒性效应的相对贡献比PAH低一个数量级，且远低于其他有毒成分，CT效能也具有相同的趋势（图1）。然而，EC造成的毒性比流行病学研究的健康风险低一个数量级。因此，EC是否是PM2.5的主要毒性成分存在争议。
图1 特定EC/PAH的毒性及其对环境PM毒性的影响
2. EC和PM2.5之间的正相关
在OS和CT效应中观察到EC质量浓度和PM2.5毒性呈显著正相关（图2）。PM2.5诱导的OS和CT效应随着EC相对含量的增加呈指数增加。这些结果与流行病学和毒理学研究一致，表明EC含量或PM2.5质量与死亡率之间的的非线性关系。本研究中观察到的EC毒性贡献，表明EC是大气PM诱导的呼吸毒性的相关因素，但不是主要原因。据报道，在众多毒理学和流行病学中，富含EC来源的PM混合物比其他来源的PM混合物更具毒性。因此，对EC来源的PM进行毒理学研究，对于阐明EC质量组成和PM诱发的毒性效应之间的联系至关重要。
图2 EC质量含量与PM2.5诱导的毒性之间存在正相关
3. 共同排放的PAH解释了EC相关源的PM2.5主要毒性
来自固体燃料和液体燃料不完全燃烧排放PM2.5样本中EC和PAH的质量分数显著相关（图3）。固体燃料燃烧排放的PM2.5的相关性相对低于液体燃料燃烧的相关性，这可能是由于固体燃料的复杂结构以及具有不同燃烧条件的燃料炉。大量研究报道了EC、PAH和有机碳在不完全燃烧的PM中广泛检测到。此外，PAH被认为是烟尘形成聚集阶段的中间体和焦炭生成的产物，这进一步增强了PAH和EC之间的相关性。虽然在本研究中有机碳分数与呼吸毒性没有显着关联，但没有对其进行进一步分析。因此，量化来自EC相关源的PAH和EC的毒性贡献至关重要。
图3 固液燃料不完全燃烧过程中，共同排放的PAH与EC之间的线性相关
一种小质量分数的PAH意外地占据了从典型不完全燃烧源中排放的PM2.5整体毒性效能的相当大一部分（图4）。从住宅固体燃料燃烧排放的PM2.5的OS效能与船舶排放相当，这与之前研究中报告的数值一致。此外，由于柴油车辆配备先进的尾气处理装置，柴油车辆和住宅无烟煤燃烧排放的PM2.5的OS效能比其他排放源高出一个数量级。尽管PAH仅占排放的PM2.5质量的一小部分，但它们出乎意料地占据了超过60%的PM诱导的OS效力。固体燃料燃烧排放的EC的毒性贡献比PAH低约1个数量级。PAH与EC相结合占这些不完全燃烧源排放的 PM2.5诱导的总OS效力的62% ∼ 90%，这与先前研究的结果一致。PAH是PM2.5整体毒性的主要来源。这些结果表明，PAH作为EC的中间产物和副产品，是PM2.5诱导毒性效力的主要因素，并与PM2.5的毒性存在因果关系。
图4 EC相关源的PM2.5毒性强度归因于EC和PAH
EC相关源的PM2.5的毒性效能对PAH表现出浓度依赖性影响（图5）。发电厂和住宅固体废物燃烧排放的PM2.5中，PAH的质量浓度与PM2.5诱导的OS和CT效力之间观察到显著的线性相关性。不同EC相关来源排放的PM2.5的毒性主要由PAH的浓度驱动，而EC对PM2.5毒性的调节贡献并不显著。此外，环境PM2.5诱导的毒性与PAH浓度密切相关。这些结果进一步表明，不能将EC视为导致PM2.5毒性的有毒成分。
图5 典型燃烧源排放的PM2.5中，PAH与EC之间的线性相关性及其引起的毒性强度
4. EC与PM2.5诱导的毒性之间存在非因果关系
通过毒理学实验量化了纯EC的毒性，并揭示了其对空气中和特定来源PM2.5样本中PM2.5的总体呼吸毒性的影响。目的是为了阐明EC和PM诱导的不良健康影响之间的关联。无论是焦炭还是烟尘，EC均表现出轻微的毒性，并不作为主要的毒性成分，而是作为EC相关来源排放产物的间接指标，主要归因于共排放的PAH。此外，使用气道类器官来验证基于体外人类支气管上皮细胞系的毒理学结果（图6）。由于气道类器官与人体气道组织的形态和功能非常相似，因此有助于克服单细胞系研究的局限性。结果显示，焦炭和烟尘比BaP低2个数量级，来自这些EC相关来源的PM2.5诱导的毒性比EC高1个数量级。这些结果与细胞系的结果一致。因此，我们的研究提供了令人信服的毒理学证据，在很大的浓度范围内，单独使用EC对生物的存活能力产生微弱的毒性，这与之前的研究结果一致。
图6 气道类器官模型的结果验证了EC的低毒性
为了明确EC和不良健康结果之间的因果关系，亟需更系统的毒理学证据。本研究设计了五条潜在的因果关系（“C→E”）链，即不完全燃烧EC和PAH、PAH到EC、PAH和EC对PM2.5的毒性效应，这五条链系统地形成了一个三个层面的层次结构，研究EC是否对健康造成影响（图7）。环境PM2.5诱导的毒性随着PM2.5结合的EC质量分数的增加而增加，这与流行病学调查的观察结果一致（第1层）。然而，EC仅占PM2.5总OS效应的一小部分，来自大气或不完全燃烧排放（第2层）。该值比PAH低一个数量级，对OS效应的贡献超过10%。另一个讨论基于假设的PM2.5完全来自不完全燃烧排放（第3层）。与空气中的PM2.5类似，在假设PM2.5的OS效应与其EC浓度之间具有很强的指数相关性。这表明与毒性效应的正相关在很大程度上取决于不完全燃烧源的贡献。在前期研究中观察到不完全燃烧程度与PM毒性之间存在很强的线性关系，为“C→E”关系提供了有效证据。此外，在不完全燃烧产生的PM2.5中，与EC共同释放的PAH毒性最强（>60%），对空气中的PM2.5的毒性有重大影响。这些研究结果表明，单凭PM中EC并不能直接诱发PM的急性毒性。相反，PAH在推动毒性效应中发挥了主要作用，建立了“C3→E1”关系。因此，从毒理学角度来看，EC与不良健康结果之间的关系应被定义为非因果关系。
图7 EC与PM2.5诱导的毒性之间存在非因果关系
小结
本研究的毒理学结果表明，EC不能被视为环境PM中的直接有毒物质，而是EC相关来源及其衍生有毒污染物的毒性指标。因此，毒理学和流行病学研究评估PM的健康风险时，需要关注PAH和衍生的芳烃，尤其是在大气中EC浓度升高的地区。我们在毒理学研究中将类器官和细胞模型在特定来源的PM暴露，表明在不完全燃烧事件普遍存在的国家和地区，控制不完全燃烧产生的排放是减轻健康风险的最有效策略之一。
参考文献
Chen X, Wu D, Tan Y, Song X, Chen J, Li Q. Absence of a Causal Link between Elemental Carbon Exposure and Short-Term Respiratory Toxicity in Human-Derived Organoids and Cellular Models. Environ Sci Technol. 2024 Dec 27. doi: 10.1021/acs.est.4c11256. Epub ahead of print. PMID: 39730302.
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来源：培养盒守护者