近日，我院刘薇教授团队在环境领域权威期刊Environmental Science & Technology上发表了题为“PFASs Disrupt Airway Epithelial Homeostasis in Human Organoids: Evidence Relevant to Obstructive Airway Disease”的科研论文。

全氟和多氟烷基物质(PFASs)与呼吸系统疾病有关，但现有毒理学研究难以解释，且大量PFASs毒理学数据匮乏。研究采用人源3D气道类器官模型，评估10种PFASs的呼吸毒性。结果表明，0.1 μM PFASs诱导气线粒体功能障碍、屏障损伤和炎症反应，驱使杯状细胞化生而损伤上皮稳态，Notch信号通路起关键调控作用，为气道疾病提供毒理学机制证据。其中，新型替代品OBS和FTOHs的综合呼吸毒性更强，提示其安全性存在隐患，研究为新型PFASs替代品的毒性筛查提供了新的技术方法。

1. 3D气道类器官的构建、表征及其毒性响应特征

将P2代人正常支气管上皮细胞在25% Matrigel支架中分化培养14天，形成具有规则球形结构、清晰管腔、气道上皮标志物表达及黏液分泌功能的3D气道类器官模型，且关键毒性响应具备批次和供体间一致性。

图1. 由NHBE细胞在Matrigel支架中发育形成的气道类器官的表征

2. PFASs损伤细胞功能

0.1 μM暴露下，10种PFASs均显著上调促炎细胞因子IL-6等与caspase-1表达，表明激活炎症小体-caspase-1轴；紧密连接蛋白Occludin和ZO-1表达显著下调，表明上皮屏障完整性受损；活性氧升高和线粒体膜电位下降提示线粒体应激效应。结果为PFASs暴露与炎性呼吸系统疾病的关联提供了细胞和组织生物学依据。

图2. 0.1 μM PFASs引起气道类器官的炎症和屏障损伤效应

3. PFASs诱导杯状细胞化生从而干扰上皮稳态

0.1 μM暴露下，10种PFASs下调基底(p63)和纤毛(FOXJ1)细胞标志物，上调杯状细胞标志物MUC5AC和酸性黏蛋白；而SP-D干预可显著逆转PFOS、PFHxS等诱导的黏液高分泌。此外，PFASs暴露增加感染铜绿假单胞菌的负荷，表明PFASs诱导杯状细胞化生与黏液高分泌，并可能伴随抗菌防御能力降低。此外，IL-13共暴露使MUC5AC表达增加，提示过敏性疾病人群对PFASs暴露存在症状加剧的风险。

图3. PFASs诱导的杯状细胞化生和上皮稳态损伤

4. 基于ToxPi的PFASs呼吸毒性排序：替代品未必更安全

基于ToxPi框架的0.1 μM下10种PFASs的综合呼吸毒性的评估结果表明，OBS评分最高，其次是8:2和6:2 FTOH。聚类分析显示，三者毒性特征以细胞形态损伤、炎症和线粒体功能障碍为主，其余则以上皮谱系分化异常和黏液高分泌为主。按结构分类，毒性评分依次为氟调醇 > 羧酸 > 磺酸。新型PFASs毒性评分高于传统PFASs，与疾病推理分数趋势一致，提示替代品的安全性存在隐患。

图4. 基于ToxPi的PFASs综合呼吸毒性排序及模式分析

5. PFASs气道毒性的分子调控网络：Notch信号通路起关键作用

单细胞转录组分析表明，PFOS暴露扰动上皮细胞谱系分化，Notch信号通路显著富集；进一步的DAPT药理干预可逆转MUC5AC异常表达，验证了Notch信号通路在杯状细胞化生和黏液高分泌形成中的关键调控作用。结合网络毒理学与COPD转录组数据筛选了PRKACB、KRAS和JUN等候选靶点。整合上述证据构建了PFASs诱发炎性阻塞性气道损伤的概念性有害结局路径框架，即PFASs可能通过Notch信号通路介导的上皮分化失衡，导致杯状细胞化生与黏液高分泌，最终导向阻塞性病理表型形成。

图5. 整合网络毒性学和单细胞转录组分析PFASs诱导的气道毒性

本研究为大量缺乏毒理学数据的PFASs化学品提供了兼具人体相关性与多层次终点量化能力的类器官筛查工具，确证了杯状细胞化生与黏液高分泌为PFASs暴露的核心气道病理结局，阐明了Notch信号通路介导杯状化生的调控机制。研究结果为PFASs环境暴露与阻塞性肺疾病风险之间的关联提供了毒理学机制证据，并为新型PFASs替代品的呼吸毒性评价与优先管控提供了转化应用技术支撑。

本研究得到了国家自然科学基金(22376020)、国家重点研发计划(2023YFC3905201)和辽宁省“揭榜挂帅”科技攻关计划项目(2023JH1/10400031)的资助。

文章信息

第一作者：牛雨欣 博士研究生

通讯作者：刘薇 教授

文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.6c04546