利用器官芯片评估空气污染物

对上皮屏障组织的影响

空气污染已成为全球性健康危机，每年导致约670万人过早死亡。肺部和皮肤作为人体的上皮屏障组织，首当其冲地暴露于空气污染物中，与多种疾病的发生密切相关。然而，传统的体外模型在研究空气污染对健康的影响时存在局限性，例如缺乏灌注、拉伸以及细胞间通讯等关键生理特征。

本文聚焦于器官芯片（OoC）技术的最新进展，探讨了其在模拟肺部和皮肤对空气污染物反应方面的巨大潜力。器官芯片技术通过整合灌注、机械拉伸和生物传感等功能，能够更真实地模拟体内环境，为研究空气污染对上皮屏障完整性和免疫介导疾病的影响提供了更生理相关的平台。这一技术不仅有望弥补传统模型的不足，还能为未来的空气污染健康效应研究提供更精准的工具，助力我们深入理解空气污染物对人体健康的复杂影响机制。

空气污染的全球影响

• 暴露水平：全球约99%的人口暴露于超过世界卫生组织空气质量指南的空气污染中。

• 健康负担：每年因空气污染导致约670万人过早死亡，空气污染是全球主要的环境健康风险之一。

肺部和皮肤的暴露与健康影响

• 主要暴露器官：肺部和皮肤是首先暴露于空气污染的器官，空气污染物通过吸入和皮肤接触进入人体。

• 健康影响：空气污染与多种疾病相关，包括心血管疾病、多种癌症（如急性淋巴细胞白血病、急性髓系白血病、上呼吸道和消化道癌症、乳腺癌和卵巢癌）、呼吸道疾病（如肺癌、慢性阻塞性肺疾病、哮喘）以及皮肤问题（如衰老、特应性皮炎、痤疮、皮肤癌、银屑病、湿疹和色素沉着）。

空气污染物的种类和危害

• 主要污染物：空气污染物包括挥发性有机化合物（VOCs）、颗粒物（PM）、一氧化碳（CO）、臭氧（O₃）、二氧化氮（NO₂）和二氧化硫（SO₂）等。

• 颗粒物的特性：颗粒物（PM）的化学成分受地理位置和季节时间的显著影响，多环芳烃（PAHs）是一类特别有害的VOCs，被归类为致癌物。

• 颗粒物的健康影响：PM10（直径小于10μm）和PM2.5（直径小于2.5μm）对健康的影响较大，因为它们可以轻易进入人体呼吸道和肺部，甚至进入全身循环。

污染物的进入途径

• 进入途径：污染物可以通过经口摄入、经呼吸道吸入和通过皮肤及黏膜吸收进入人体。

• 皮肤的屏障功能：皮肤覆盖约1.85平方米的表面积，为污染物进入人体提供了充足的机会，可能引起局部和全身效应。

• 肺部的颗粒物沉积：不同直径的颗粒物会穿透呼吸道不同深度，细颗粒物（如PM2.5）可以到达下呼吸道并进入全身循环。

研究现状与挑战

• 动物模型的局限性：动物研究提供了关于肺部和皮肤对空气污染反应的重要知识，但结果往往不能直接转化为人类群体，且缺乏对上皮细胞-免疫细胞相互作用的研究。

• 体外模型的局限性：传统的细胞培养技术缺乏关键的生物物理信号，如灌注和拉伸，且大多数研究使用高浓度暴露，难以模拟真实环境中的长期暴露效应。

• 器官芯片技术的潜力：器官芯片（OoC）技术可以克服传统体外模型的局限性，提供更生理相关的暴露实验，增强对空气污染对肺部和皮肤免疫介导疾病影响的研究。

研究目的

• 知识空白：本文旨在探讨当前用于研究空气污染对上皮屏障完整性和免疫介导疾病发展影响的体外模型，并识别当前关于空气污染不良健康影响的认知空白。

• 技术应用：重点关注器官芯片技术如何增强对皮肤和肺部对空气污染反应的机制研究，为未来的研究提供新的方向和方法。

文献：

Koornneef, Horne, Thio, Mastrangeli, Rottier, Dik, de Geus (2025) Advances in Organ-on-a-Chip Technology to Examine the Impact of Air Pollutants on Epithelial Barrier Tissues. Environ Res (IF: 7.7) 

链接：

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/40623513

http://dx.doi.org/10.1016/j.envres.2025.122289

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013935125015403?via%3Dihub