PM2.5是威胁全球公众健康的重大环境风险因素。在PM2.5的诸多毒性效应中，铁稳态失衡扮演了关键角色。然而，现有研究多集中于PM2.5诱导的铁过载与铁死亡，个别研究指出颗粒物暴露后细胞内可利用铁水平的降低。对于PM2.5是否以及如何引起可利用铁（Fe²⁺）缺乏及其具体分子机制，尚缺乏系统认知。对此，北京大学公共卫生学院毒理学系魏学涛副教授、流行病学与生物统计学系王斌研究员团队联合北京大学第三医院，创新性地整合了人群流行病学、动物体内实验与体外细胞模型，首次系统揭示了环境PM2.5暴露可通过损伤巨噬细胞溶酶体功能，导致巨噬细胞内Fe²⁺缺乏，从而驱动肺部损伤的新机制。该研究不仅阐明了PM2.5肺毒性的一个全新病理环节，也为相关生物标志物开发和干预靶点探寻提供了重要科学依据。

图 1. 图文摘要

论文类型：长篇
第一完成单位：北京大学
第一作者：张琼
通讯作者：魏雪涛（北京大学），王斌（北京大学）
期刊：Environmental Science & Technology，IF2025 = 11.3，中科院1区
论文信息：

Zhang Qiong, Yuan Yuese, Liu Yuetong, Yang Jiawei, Zhou Tao, Zhang Haichen, Chen Lening, Yuan Cui, Wang Yang, Zhao Ran, Xiao Qianqian, Meng Qinghe, Jiang Jianjun, Hao Weidong, Wang Bin *, Wei Xuetao *. Integrated Evidence for Lysosomal Dysfunction-mediated Iron Dysregulation induced by PM2.5 Exposure. Environmental Science & Technology. 2026, https://doi.org/10.1021/acs.est.5c14185

全文链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.5c14185

为探究环境PM2.5水平与血清铁稳态生物标志物之间的关联，研究团队对河北某地35名育龄女性进行了为期一年的追踪，通过线性混合效应模型分析发现，个体所在区域的PM2.5暴露浓度与研究对象血清中的铁蛋白轻链（FTL）水平呈显著正相关。其中，FTL与采样前60天PM2.5暴露的关联性最强。这一发现提示，现实环境中的PM2.5暴露足以扰动人体系统性的铁稳态。PM2.5的一种典型模拟物—1,4-萘醌修饰的黑碳（1,4-NQ-BC）气管滴注暴露于SD大鼠后成功诱发大鼠肺部炎性损伤、肺泡巨噬细胞浸润，并导致肺组织中FTL蓄积，与人群研究发现相互印证（图2）。

图 2. 基于人群和体内研究中FTL与PM2.5暴露的关联。（A）血清FTL水平与PM2.5浓度的变化趋势；（B-C）线性混合效应模型揭示FTL与PM2.5的相关性；（D）1,4-NQ-BC暴露后HE染色的肺组织；（E）支气管肺泡灌洗细胞Diff-Quick染色；（F）大鼠肺组中FTL蛋白水平。

巨噬细胞和肺泡上皮细胞是肺部抵御PM2.5入侵的第一道防线。因此，我们选择RAW264.7细胞进行深入研究。在RAW264.7细胞中，1,4-NQ-BC处理引发了一个看似矛盾的现象：细胞内总铁水平升高，但可利用铁（Fe²⁺）水平却显著下降。进一步研究发现，细胞膜铁摄取蛋白TFRC和Fe2+排出蛋白FPN1水平升高（图3），表明铁摄入和排出细胞的通路并未受损，提示1,4-NQ-BC可能破坏了细胞内的铁转化环节。值得关注的是，1,4-NQ-BC貌似只在巨噬细胞中发挥降低Fe²⁺的作用，本研究并未在肺上皮细胞16HBE中观察到Fe²⁺水平的明显降低。

图 3. 1,4-NQ-BC对RAW264.7细胞铁稳态的影响。（A）1,4-NQ-BC处理2、6和12小时后细胞内的Fe²⁺水平；（B）1,4-NQ-BC处理处理24小时后细胞内的Fe²⁺水平；（C）1,4-NQ-BC处理后RAW264.7细胞中的总铁含量；（D）RAW264.7细胞中铁转运蛋白的水平。

为探究1,4-NQ-BC对细胞内Fe²⁺转化过程的影响，我们对自噬的动态标志物p62、LC3BI、LC3BII和NCOA4进行了检测。结果发现1,4-NQ-BC激活了自噬，但同时阻断了自噬流（图4）。因此，PM2.5和1,4-NQ-BC暴露可引发铁稳态失衡并表现为FTL积累，这可能是铁蛋白自噬过程受阻所致。

图 4. 1,4-NQ-BC对RAW264.7细胞及大鼠肺组织自噬与自噬流的影响。（A） 1,4-NQ-BC暴露后RAW264.7细胞中LC3BI/II和p62的表达；（B）1,4-NQ-BC暴露后大鼠肺组织中LC3BI/II和p62水平。

为揭示1,4-NQ-BC阻碍自噬过程的关键节点，本研究采用蛋白质组学技术检测了能与1,4-NQ-BC直接结合的蛋白质。结果显示1,4-NQ-BC可与溶酶体关键质子泵Atp6ap1、Atp6v1a、Atp6v1f、Atp6v1e1和Atp6v0d1相结合，这可能影响了RAW264.7细胞溶酶体的酸化。AO染色以及CTSD和LAMP1共定位的减少均提示1,4-NQ-BC对溶酶体膜造成了损伤。1,4-NQ-BC虽然增加了溶酶体的数量，但破坏了溶酶体的酸化功能，最终表现为溶酶体水解功能受损（图5）。我们由此提出假设：溶酶体损伤阻断了自噬流和铁蛋白自噬过程，最终导致了巨噬细胞“功能性铁缺乏”。

图 5. 1,4-NQ-BC对RAW264.7细胞溶酶体功能的影响。（A）与1,4-NQ-BC直接结合的蛋白质的KEGG富集分析；（B）DQ-BSA检测溶酶体功能；（C）Lysotracker检测溶酶体数量；（D-E）1,4-NQ-BC处理12和24小时后使用pHLys Red检测溶酶体pH；（F-I）1,4-NQ-BC处理12和24小时后吖啶橙染色检测溶酶体膜完整性；（J）1,4-NQ-BC染毒后免疫荧光检测RAW264.7细胞CTSD与LAMP1共定位。

图 6. 1,4-NQ-BC通过溶酶体功能障碍诱导RAW264.细胞Fe2+缺乏。（A-B）过表达TFEB的RAW264.7细胞在1,4-NQ-BC处理12和24小时后 Fe²⁺水平。（C）DQ-BSA检测溶酶体功能；（D）pHLys red染色检测溶酶体pH；（E-I）过表达TFEB RAW264.7细胞中自噬和铁死亡相关蛋白的表达。

为探究1,4-NQ-BC诱导的Fe²⁺缺乏与溶酶体功能障碍之间的关系，我们构建了TFEB过表达的RAW264.7细胞模型。TFEB过表达部分恢复了1,4-NQ-BC诱导的RAW264.7细胞中LAMP1和CTSD降低，同时恢复了和溶酶体的pH并增强了其降解功能。此外，TFEB过表达同时减少了1,4-NQ-BC诱导的LC3BII积累及FTL相对于对照组的倍数变化。简而言之，TFEB增强了溶酶体功能和铁蛋白自噬过程。值得注意的是，TFEB的过表达挽救了1,4-NQ-BC诱导的Fe²⁺水平下降（图6）。综上所述，在RAW264.7细胞中，1,4-NQ-BC通过阻断溶酶体依赖的自噬通路进而导致Fe²⁺水平降低。

总结与展望：

本研究首次构建了“PM2.5暴露→巨噬细胞溶酶体损伤→铁蛋白自噬受阻→Fe²⁺缺乏”的全新病理链条。这一发现突破了传统上主要关注“铁过载”的视角，揭示了“功能性铁缺乏”在PM2.5免疫毒性中的新机制。通过与我们已发表研究[1]中1,4 NQ-BC通过降低Fe2+抑制线粒体功能和巨噬细胞吞噬功能等效应相结合，该成果为理解空气污染健康危害的复杂机制增添了关键一环。Fe²⁺缺乏可作为评估PM2.5早期肺损伤的潜在生物标志物，并为开发针对易感人群（如贫血患者）的靶向防护策略提供了崭新的干预思路。

致谢：

感谢国家卫生健康委员会生殖健康重点实验室、北京市食品安全毒理学研究与风险评估重点实验室、北京大学重大疾病流行病学教育部重点实验室和教育部骨与关节精准医学工程研究中心提供合作协助。感谢国家自然科学基金委和国家科技部重点研发项目支持。

作者简介

第一作者：

张琼，北京大学大学公共卫生学院2022级博士研究生

主要研究方向为空气污染细颗粒物的肺脏和免疫毒性。迄今在Environment Science & Technology、Ecotoxicology and Environmental Safety等期刊发表SCI论文5篇，合作发表SCI论文11篇。参与国家自然科学基因面上项目、国家重点研发计划项目、科技创新重大专项共5项。

通讯作者：

魏雪涛，北京大学公共卫生学院毒理学系，副教授

主要研究方向为免疫毒理学、分子与细胞毒理学、环境污染物、药物毒理、生物活性物质的免疫调节作用、安全性评价和风险评估。迄今主持国家自然科学基金项目1项、国家自然科学基金重大项目1项、国家重点研发计划2项、科技创新重大专项1项、国家科技支撑项目1项。近5年以第一或通讯作者在Environ Sci Technol.、Journal of Hazard Material.、Environ Pollution、Ecotoxicology and Environmental Safety、Environmental Research、Toxicology等环境及毒理学国际权威期刊和国内期刊发表论文26篇。现任公共卫生学院教学办公室主任、毒理学系副主任。中国环境诱变剂学会常务理事、副秘书长，中国环境诱变剂学会青年委员会副主任委员、秘书长，中国毒理学会免疫毒理专业委员会常委，中国毒理学会毒理学教育专业委员会常委，农业部农业转基因生物安全委员会委员，环境生态部化学物质环境管理专家评审委员会委员，全国农业转基因生物安全管理标准化技术委员会委员，食品安全毒理学研究与评价北京市重点实验室办公室主任，北京大学保健品评价与研究中心毒理室主任，国家卫计委计生用品政府采购评审组专家，国家药监局器审中心评审专家。

北京大学生育健康研究所长聘副教授/研究员，北京大学城市与环境学院兼职教授

主要研究方向为环境健康，暴露组学大数据与人工智能。主导构建暴露组学平台 ExposomeX（www.exposomex.cn），促进“暴露–生物学–疾病”关联的因果推断研究。迄今主持国家自然科学面上和青年基金4项，骨干参与国家重点研发项目3项。以第一或通讯作者在Environ Health Persp、Environ Sci Tech、The Innovation等国际权威期刊发表论文共70余篇(H指数=54，他引6500余次)。担任环境健康领域TOP期刊Environ Sci Tech副主编（AI、大数据、环境健康领域）。开设本科生、研究生北大教改课程“暴露组学”，获得“北京大学十佳本科生优秀教学案例”。担任中国队列共享平台“环境与人群健康”组长，环境诱变剂学会环境与生育健康专委会副秘书长。获得北京预防医学会科技二等奖和“全国科技系统抗击新冠疫情优秀个人”称号。