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随着我国社会经济的快速发展，大气颗粒物(PM)引起的大气环境污染问题日趋严重，受到人们的普遍关注。其中，空气动力学直径小于2.5μm的细颗粒物(PM2.5)严重危害人体健康，导致呼吸系统和心血管系统疾病，甚至癌症。体内外的研究表明，大气颗粒物诱导的氧化应激在其毒性效应中发挥着重要作用，但是有关细胞内抗氧化信号通路在PM2.5诱导氧化应激中的分子作用机制研究较少。本研究主要探讨核转录因子Nrf2介导的细胞信号通路和自噬在PM2.5诱导的氧化应激和氧化损伤中的生物效应，进一步阐明PM2.5引起的A549细胞毒性与自噬之间的相互作用机制。
我们监测和采集2009年3月至2009年12月北京市玉泉路大气中PM2.5，分析了PM2.5的污染分布特征和化学成分组成。结果表明，7月份PM2.5的质量浓度最高，12月份最低，PM分布可能与季节变化和污染有关。ICP-MS分析，PM2.5中金属元素含量发现，Zn、Mg、Ca和Fe等金属元素含量高于其它元素。这是因为本地区的污染主要来源于汽车尾气、固体废料的燃烧以及自然界中沙尘天气。此外，采用GC-MS分析PM2.5中18种PAHs组分，结果发现，苯并[b]荧蒽的含量最高，高达234.16±21.83ng/mg;屈、荧、菲、芘的含量次之。
评价了PM2.5暴露对A549细胞氧化应激蛋白HO-1表达以及自噬小体形成的影响。A549细胞分别用0、8、16、32和64μg/cm2PM2.5暴露处理4、12和24h，相差显微镜和电子显微镜的结果显示，PM2.5暴露明显引起A549细胞的膜形态改变，并在细胞内分布。而且，细胞ROS的生成水平随PM2.5的暴露浓度增加而升高，4h后达到最大值;24h的HO-1蛋白表达水平最高。同时，胞浆中双层膜结构的自噬小体数明显升高，LC3Ⅱ蛋白水平和胞内GFP-LC3标记结果也显示细胞内自噬小囊泡的水平升高。我们还发现随着PM2.5的暴露时间和浓度的延长和升高，细胞的存活率显著降低。此外，32和64μg/cm2PM2.5暴露后细胞凋亡明显增加。与此相比，抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸(NAC)显著降低细胞的HO-1mRNA表达水平和自噬水平。以上结果表明，PM2.5诱导氧化应激可触发胞内抗氧化防御系统的激活，若氧化应激作用过强，自噬可诱导细胞氧化损伤，甚至引发细胞自噬性死亡。
为了进一步研究PM2.5诱导的氧化应激对细胞凋亡、自噬水平的影响以及两者之间的关系。A549细胞分别用0、8、16、32和64μg/cm2PM2.5暴露处理48h后，发现PM2.5引起大量的活性氧自由基生成、炎症因子释放、胞内抗氧化酶活性下降、细胞周期停滞、存活率降低、乳酸脱氢酶释放升高。此外，我们还发现PM2.5导致Caspase-3、Caspase-7、PARP活化，此外PM2.5不仅激活Caspase-8活性诱导死亡受体途径凋亡，而且下调Bcl-2水平，上调Bax、Caspase-9的活性诱导线粒体途径凋亡。透射电镜及激光共聚焦显微镜的结果表明，PM2.5升高A549细胞自噬水平。与此相比，抗氧化剂NAC降低PM2.5诱导的细胞凋亡及自噬水平;当Nrf2及HO-1沉默后，细胞的自噬及凋亡水平均显著升高。以上结果表明，PM2.5诱导的氧化应激直接作用于细胞的自噬及凋亡。此外，自噬特异抑制剂3-甲基腺嘌呤(3-MA)能够增加PM2.5诱导的凋亡水平，而自噬激活剂Rapamycin导致凋亡水平降低。结果表明，A549细胞的自噬可降低PM2.5诱导的细胞凋亡。综上所述，PM2.5诱导A549细胞产生氧化应激，引起细胞自噬及凋亡，而自噬起到保护细胞的作用，该思路为通过抑制自噬途径开发大气颗粒物导致的肺部疾病的治疗药物提供了理论依据。
进一步将人肺上皮A549细胞分别暴露于16μg/cm2PM2.50.5、1和2h，研究PM2.5诱导的氧化应激对细胞Nrf2信号通路的影响。当A549细胞PM2.5暴露1h后，PM2.5粘附于细胞膜表面，部分颗粒物进入细胞质、细胞核中。此外，PM2.5呈时间依赖性升高细胞的ROS水平，并诱导细胞内源性抗氧化酶(SOD、CAT、GPx)的活性升高。用16μg/cm2PM2.5分别暴露处理Nrf2基因沉默和Nrf2基因高表达细胞1h后，细胞的Nrf2蛋白水平影响PM2.5诱导的ROS生成。Westernblowing、Real-timePCR、荧光素酶报告基因和激光共聚焦显微镜的结果表明，PM2.5可以激活细胞Nrf2信号通路。MAPK、AKT和ERK信号通路抑制剂分别预处理A549细胞后，比较研究了PM2.5对Nrf2和HO-1表达水平的影响，结果表明PM2.5经PI3K/AKT信号通路激活Nrf2-ARE通路参与的HO-1表达。该研究首次阐明了PM2.5诱导的氧化应激可激活PI3K/AKT/Nrf2-ARE信号通路，并介导HO-1等抗氧化蛋白的表达，降低A549细胞引起的氧化损伤作用。