环境学院要茂盛课题组揭示内毒素被大气臭氧氧化后的致贫血能力提升近两倍

内毒素（LPS）来源于革兰氏阴性菌细胞壁外膜，广泛存在于大气中。灰霾污染过程为微生物繁殖提供有利条件，导致大气LPS浓度较清洁日升高2—8倍。LPS具有很强的免疫原性，在进入人类或其他哺乳动物体内后可以被存在于各种细胞表面的受体蛋白识别，与TLR4-MD-2受体复合物特异性结合，触发级联炎症反应，释放包括IL-6、TNF-α等多种炎性因子。大量流行病学和毒理学证据表明，大气中的内毒素通过呼吸对人体健康造成巨大的影响，包括引发呼吸系统疾病、心血管疾病等。然而，大气中的内毒素是否受到其它污染物的影响以及其毒性是否发生了变化仍是未知数。zRC知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

针对以上问题，北京大学环境科学与工程学院要茂盛教授团队针对大气LPS与典型气态污染物臭氧开展了相关研究工作。研究团队构建非均相氧化反应模拟系统，模拟LPS与臭氧的大气氧化反应，并采用颈静脉导管大鼠暴露模型系统评估臭氧氧化的LPS（OLPS）对大鼠的急性健康效应。同时，通过高分辨质谱等技术，研究了LPS及其关键毒性结构Kdo₂-lipid A（KLA）的氧化修饰特征和与受体蛋白的结合情况。zRC知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

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图1. 暴露于臭氧氧化的LPS更容易诱导大鼠贫血zRC知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

研究结果表明，内毒素在300ppb臭氧暴露5小时后，显著加剧贫血表型，致贫血能力增加近两倍。暴露两小时后，与LPS组相比，OLPS组大鼠红细胞浓度、血红蛋白水平及红细胞压积显著下降（图1）。机制分析表明，OLPS诱导的贫血表型与铁稳态失衡密切相关，大鼠血清铁离子、转铁蛋白饱和度显著降低，铁蛋白及转铁蛋白升高。进一步研究发现，OLPS通过激活SMAD/BMP信号通路，促使肝脏铁调素（Hepcidin）表达上调，抑制铁吸收与释放，最终引发低铁血症与炎症性贫血（图2）。傅里叶红外光谱与高分辨质谱证实，臭氧氧化保留了LPS关键毒性结构KLA的完整性，同时氧化其羟基基团生成羰基化合物（图2），使OLPS与TLR4-MD-2受体蛋白的结合能力增强。研究指出，现行鲎试剂法（LAL）无法检测到臭氧氧化后的内毒素。在人们日常呼吸的空气中都存在一定量的内毒素，本研究首次揭示大气臭氧氧化内毒素后，其致贫血能力增强了近两倍，这给大气内毒素污染的健康效应敲响了警钟。这项研究也进一步揭示关注颗粒物组分的重要性，同时也指出了颗粒物的生物组分也是不能忽略的重要有毒物质。在未来的大气化学研究中，也应该将生物成分的影响考虑到里面。该项研究同时也揭示我们很可能很大程度上低估了空气污染的健康效应。zRC知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

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图2. 臭氧氧化LPS诱导低铁血症和炎症性贫血的机制图zRC知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯

论文第一作者为环境科学与工程学院博士生刘华莹，通讯作者为要茂盛。研究成果以“Exposure to Endotoxin Oxidized by Atmospheric Ozone Greatly Enhances Anemia”为题发表在Environmental Science & Technology刊物上。该研究主要由国家自然科学基金（NSFC）资助创新研究群体项目（22221004）、国家重点研发计划（2022YFC3702801和2023YFC3708200）以及广州国家实验室项目（GZNL2024A01028）资助。zRC知多少教育网-记录每日最新科研教育资讯