PM2.5顆粒為什么會(huì)影響人體健康？

——用分子動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)研究納米顆粒與肺表面活性劑單層膜的作用

焦豹

編者按：力學(xué)研究所非線性力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的胡國慶研究小組開展了有關(guān)納米顆粒與人體肺表面活性劑單層膜作用的研究，相關(guān)成果在國際學(xué)術(shù)刊物《ACS？Nano》上發(fā)表（2013,？7,？10525–10533），它對PM2.5一類細(xì)顆粒物如何會(huì)影響人體健康做出了一種解釋，因而引起了廣泛關(guān)注。本刊特此刊載博士研究生焦豹撰寫的一篇科普短文，簡單介紹這項(xiàng)工作。
2014年1月7日上午，中國傳媒大學(xué)有聲媒體語言監(jiān)測與研究中心發(fā)布了“2013媒體關(guān)注度十大榜單”，包括“十大新聞熱點(diǎn)”、“十大公益活動(dòng)”、“十大中國style”等等。這20份榜單及其排序完全依據(jù)客觀數(shù)據(jù)，其產(chǎn)生的方法與程序是：運(yùn)用現(xiàn)代語言監(jiān)測技術(shù)，形成海量的動(dòng)態(tài)流通語料庫（其來源是人民日報(bào)等7家主流報(bào)紙、中央電視臺(tái)等24家電視臺(tái)及電臺(tái)的節(jié)目轉(zhuǎn)寫文本、4個(gè)門戶網(wǎng)站的網(wǎng)絡(luò)新聞所構(gòu)成的162萬個(gè)文本，時(shí)間跨度為2013年1月1日至2013年12月31日），通過對這個(gè)約計(jì)16億字的語料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算以及自動(dòng)提取候選，最后再由人工確認(rèn)。在“十大新聞熱點(diǎn)”的榜單中，“霧霾”高居第三位，它在媒體中使用的頻次為70993次，而出現(xiàn)頻次最高的時(shí)段為1月和12月。這正好對應(yīng)了全年兩次最嚴(yán)重的霧霾污染事件：1月份出現(xiàn)在北京（參見圖1），12月份出現(xiàn)在長江三角洲。如果說，以前我們用“談虎色變”這個(gè)成語來描述人們對某個(gè)事物的恐懼心理的話，那么近來采用“遇霾色變”來形容人們對這種大氣污染的擔(dān)憂心情也并非夸張之說。
現(xiàn)在大家都知道，霧霾是因?yàn)榇髿庵泻性S多細(xì)顆粒物，目前大氣的污染物指數(shù)是按照PM2.5濃度來發(fā)布的。這里的PM是英文“細(xì)顆粒物”的字頭縮寫，而2.5則表示顆粒直徑為2.5微米（這個(gè)尺寸是人類頭發(fā)直徑的二十分之一）。為什么PM2.5如此令人擔(dān)憂呢？原來它不僅降低能見度影響交通出行，而且會(huì)直接傷害人們的身體健康?？茖W(xué)家告訴我們，當(dāng)空氣中細(xì)顆粒的直徑小于10微米時(shí)，它便能夠到達(dá)咽喉，因此被稱為“可吸入顆粒物”。當(dāng)顆粒物直徑小于2.5微米，甚至是納米量級時(shí)，人類咽喉表面粘膜細(xì)胞的纖毛及其分泌的粘液也阻擋不了它們了，這些納米顆粒便可以到達(dá)下呼吸道的細(xì)支氣管內(nèi)并沉積到肺泡上（參見圖2）。PM2.5顆粒物的表面攜帶著許多有害的有機(jī)、無機(jī)分子，可以像細(xì)菌一樣對人體造成傷害。例如，它們可以導(dǎo)致呼吸道的炎癥。由于它們是無生命的非生物體，其危害甚至高于細(xì)菌。特別要指出的是，那些到達(dá)肺泡的納米顆粒，不僅由于沉積在肺泡上而引起病癥，而且它們可能穿越肺泡、由此進(jìn)一步進(jìn)入毛細(xì)血管再進(jìn)入血液。如果顆粒帶有苯并芘等類污染物，就具有強(qiáng)致癌性，可能對生命造成更大的傷害。當(dāng)然，這里面的致病道理需要請教醫(yī)生或病理專家，我們力學(xué)工作者則努力嘗試用力學(xué)方法來解釋微納米尺度的顆粒是如何穿越肺泡的?，F(xiàn)在來看看這項(xiàng)工作是怎樣做的吧！
作為呼吸免疫系統(tǒng)的第一道防線，肺表面活性劑分子膜與可吸入細(xì)顆粒物的相互作用代表了肺部最初始的生物-納米作用。這類相互作用決定了吸入顆粒的最終歸宿、毒性效應(yīng)及潛在的藥物用途。由于顆粒尺度小于2.5微米，很大部分在納米量級，所以它們能被吸入。這些被吸入的納米顆粒將沉積到肺泡附近，并與肺表面活性劑發(fā)生相互作用。其復(fù)雜作用機(jī)制與納米顆粒的物理化學(xué)特性密切相關(guān)，也依賴于肺表面活性劑的分子組成、動(dòng)態(tài)表面相變行為、單層膜生物力學(xué)特性等，這些因素在研究中都要考慮。
為了研究納米顆粒與肺表面活性劑單層膜(以下簡稱PS膜)的相互作用，力學(xué)工作者首先要建立一個(gè)分子動(dòng)力學(xué)模擬體系(見圖3)。不言而喻，“分子動(dòng)力學(xué)模擬”就是利用計(jì)算機(jī)來模擬研究分子在力場作用下的運(yùn)動(dòng)情況，本研究使用的是martini力場。可能細(xì)心的讀者要問：不是研究納米顆粒與單層膜的作用嗎？為什么圖3的體系里有兩個(gè)膜呢？這是因?yàn)槭褂脤ΨQ結(jié)構(gòu)方便處理體系的邊界條件，又能夠增加模擬結(jié)果的采樣空間。得到結(jié)果只要取一半來分析便可以了。
從圖3可以看到，假定兩個(gè)單層膜對稱地分布在水（Water）和空氣（Air，在模擬中用真空代替）的界面上，納米顆粒對稱地分布在接近單層膜的空氣中。每個(gè)單層膜中含有1120個(gè)DPPC？磷脂分子、480個(gè)POPG磷脂分子，而SP-C和SP-B1-25？蛋白分子各有7個(gè)。這樣，單層膜中的各分子成分和比例與天然肺表面活性劑中的相同。模擬體系中含有158258個(gè)水分子、1022個(gè)鈉離子，整個(gè)模擬體系呈現(xiàn)電中性。圖中右側(cè)是膜體系的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)示意，包括水、單層膜和納米顆粒。模擬體系的初始大小是31 31 100？納米，三個(gè)方向都使用周期邊界條件。在z方向上設(shè)置了足夠大的空氣區(qū)域，這樣就可以避免兩個(gè)單層膜之間的相互作用影響。這里，定義z方向的零點(diǎn)（0）是上面一個(gè)單層膜中磷脂分子頭部原子密度（Density？of？the？lipid？headgroup）的最大處。
為了加快計(jì)算速度，這項(xiàng)研究采用“粗?；狈肿觿?dòng)力學(xué)模型。不難理解，所謂“粗粒化”分子就是把全原子模型中的三個(gè)或者四個(gè)重原子(非氫原子)簡化為一個(gè)新的原子(粗?；?/span>)，再由這些粗?；訕?gòu)成粗粒化分子。使用粗?；Ｐ偷膬?yōu)勢是在保障模擬精度的同時(shí)，減少計(jì)算量，加快計(jì)算速度。圖4給出了粗粒化模型的分子示意，圖中左側(cè)是單層膜的俯視圖，顯示了其結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，其中綠色的是DPPC磷脂分子，黃色的是POPG磷脂分子，橙色的是SP-C蛋白質(zhì)分子，紫色的是SP-B1-25蛋白質(zhì)分子，這樣顯示了這四種分子的全原子分子模型與粗粒化分子模型之間的對應(yīng)關(guān)系。模擬研究中用的納米顆粒直徑約為5納米，這里按照其帶電情況，給出了三種類型：Cationic