單細(xì)胞視角下鉛的體內(nèi)代謝與檢測

霍詩薇 劉 念 田皓中 張偉燦 郭 華 李 裕 胡立剛,4* 江桂斌1,

(1.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,環(huán)境化學(xué)與生態(tài)毒理學(xué)國家重點實驗室,北京 100085;2.中國科學(xué)院大學(xué) 中丹學(xué)院,北京 100190;3.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;4.國科大杭州高等研究院 環(huán)境學(xué)院,杭州 310024)

盡管以含鉛汽油為代表的鉛污染問題不斷得到治理,但是慢性鉛暴露仍然是影響人體健康的重要環(huán)境問題。環(huán)境中新出現(xiàn)的鉛污染源與人體內(nèi)的骨鉛蓄積,使得鉛的環(huán)境外暴露和人體內(nèi)暴露情況日趨復(fù)雜。血鉛作為人體鉛暴露風(fēng)險的主要評價指標(biāo)存在一定的局限性。因此,鉛暴露的復(fù)雜性以及有關(guān)研究手段的缺乏為鉛研究帶來了新的挑戰(zhàn)。隨著單細(xì)胞技術(shù)的迅速發(fā)展,單細(xì)胞水平上鉛的檢測技術(shù)可用于建立和完善鉛動力學(xué)的機(jī)制與模型,從而在單細(xì)胞水平上理解人體內(nèi)的鉛循環(huán)與鉛的毒理效應(yīng),有望為控制鉛污染的健康危害提供新的系統(tǒng)性認(rèn)識。

1 鉛污染與鉛暴露來源

鉛的污染與暴露一直是廣受關(guān)注的環(huán)境健康問題。鉛污染的來源主要包括礦產(chǎn)的開采冶煉及含鉛汽油和電池的使用等,其中含鉛汽油的大規(guī)模應(yīng)用給人類健康造成了嚴(yán)重的危害[1]。從20世紀(jì)90年代開始,全球大部分國家陸續(xù)停止使用含鉛汽油。2021年7月,隨著最后一個國家——阿爾及利亞停止供應(yīng)含鉛汽油,聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署隨即宣布,全球已正式停止使用含鉛汽油[2]。含鉛汽油的禁止使得全球范圍內(nèi)成人和兒童鉛中毒的患病率顯著降低[3-5]。盡管含鉛汽油這一里程碑式的鉛污染問題已經(jīng)解決,來源復(fù)雜的鉛污染所造成的公眾健康威脅仍十分嚴(yán)重,且面臨諸多新的挑戰(zhàn)。因此,為厘清人體鉛暴露的來源,本章節(jié)通過分析鉛污染現(xiàn)狀,總結(jié)鉛暴露源特征以及新的鉛暴露源,為有關(guān)鉛暴露的分析、毒理等環(huán)境健康研究提供新的參考,以便控制和削減其產(chǎn)生的環(huán)境風(fēng)險和健康威脅。

1.1 鉛污染現(xiàn)狀與鉛暴露源特征

近十年來,鉛減排的相關(guān)舉措有力地削減了環(huán)境中的鉛暴露源,但鉛污染對人體健康的風(fēng)險仍然存在且不容樂觀。例如,聯(lián)合國兒童基金會發(fā)布報告顯示,全球大約三分之一的兒童(約8億)的血鉛水平超過安全限值[6]。美國毒物與疾病登記署結(jié)合各種有害物質(zhì)的毒性、頻率及接觸可能性,將鉛列為有害物質(zhì)優(yōu)先清單第二名[7]。

人體從環(huán)境中接收的鉛暴露源主要分為兩類:人類活動直接釋放的鉛與留存在環(huán)境中的鉛。鉛礦的開采與加工是人類活動直接釋放的主要鉛暴露源之一,且并未隨著鉛減排的推行而停止。2011年至2021年間,全球鉛的年開采產(chǎn)量約為400萬t至500萬t,鉛的年精煉化產(chǎn)量(包括新開采的鉛與回收的鉛)約在1 000萬t至1 100萬t[7]。人類活動直接釋放的鉛暴露源存在典型的區(qū)域性特征。例如,非洲地區(qū)的鉛污染問題主要?dú)w因于其礦產(chǎn)資源的不當(dāng)開采[8]。在以美國為首的部分國家及地區(qū),含鉛管道的安裝引起了嚴(yán)重的日常用水中的鉛污染問題[9]。在中國,鉛礦的開采量和冶煉量遙遙領(lǐng)先于世界[7],同時中國還是煤炭的生產(chǎn)和消耗大國,因此鉛生產(chǎn)以及燃煤導(dǎo)致的鉛排放是中國鉛污染的主要來源[10]。

環(huán)境中留存的鉛可通過人類活動再次釋放,成為人體接收的鉛暴露源。冰芯中鉛濃度的數(shù)據(jù)顯示,工業(yè)革命后鉛的環(huán)境濃度呈現(xiàn)上升趨勢,2000年鉛的環(huán)境濃度約為工業(yè)革命時鉛濃度的3倍且遠(yuǎn)高于工業(yè)革命前,因此鉛在環(huán)境中的積累以及再釋放導(dǎo)致的濃度上升不容忽視[11]。

1.2 新的鉛暴露源

鉛已被廣泛應(yīng)用于光伏電池和風(fēng)力渦輪機(jī)的儲能,如鉛酸電池與鉛基鈣鈦礦太陽能電池[12-13]。隨著可再生能源的普及,全球儲能需求增加,新的鉛暴露源不斷涌現(xiàn)。在很多中低收入國家,不受管制的鉛回收活動也因此成為了環(huán)境鉛污染與人體鉛暴露的重要來源[13]。鉛基鈣鈦礦作為目前最有效的光伏材料,其潛在的毒性已被驗證[12,14],如果發(fā)生泄露,遇水會釋放高水溶性與高生物利用度的碘化鉛[15],該化合物的生物有效性約為其他含鉛污染物的十倍[16]。隨著全球范圍內(nèi)對清潔能源的推廣使用,鉛基鈣鈦礦可能成為一種不容忽視的鉛暴露來源。中國是全球鉛酸電池的主要生產(chǎn)國、精煉國和消費(fèi)國[17],同時隨著“雙碳”政策的推行,新的鉛污染源的防治將成為我國鉛暴露風(fēng)險防控中所要面臨的重要挑戰(zhàn)。

2 單細(xì)胞水平上鉛的動力學(xué)機(jī)制

環(huán)境中的鉛污染短期內(nèi)難以根治,人體面臨著持續(xù)性的外源鉛暴露,由此導(dǎo)致鉛在人體內(nèi)不斷積累,對人體健康可能產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的負(fù)面影響。傳統(tǒng)的鉛動力學(xué)研究主要關(guān)注鉛在區(qū)室間的周轉(zhuǎn),僅以控制鉛的攝入來減少鉛對人體的危害,因此人體內(nèi)鉛動力學(xué)的研究亟需完善單細(xì)胞水平上的循環(huán)機(jī)制,進(jìn)而尋找富有臨床意義的鉛排出路徑,為解決鉛暴露引發(fā)的健康問題提供重要支撐。本章節(jié)較為詳細(xì)地描述了人體內(nèi)鉛的循環(huán)路徑,對現(xiàn)有的單細(xì)胞水平上的鉛動力學(xué)機(jī)制進(jìn)行總結(jié),并進(jìn)一步探討其研究意義,為建立單細(xì)胞水平上鉛的動力學(xué)模型以及人體內(nèi)鉛的排出方法提供新的思路。

2.1 傳統(tǒng)的鉛動力學(xué)機(jī)制

鉛主要通過呼吸道與胃腸道進(jìn)入人體[18]。肺部的鉛顆粒通過肺泡毛細(xì)血管膜進(jìn)入血液,其余的顆粒會被肺泡巨噬細(xì)胞或淋巴系統(tǒng)清除[7,19]。胃腸道部分的鉛吸收與腸上皮細(xì)胞、腸壁排列細(xì)胞等有關(guān)[18,20],通過主動運(yùn)輸、被動運(yùn)輸以及胞飲作用進(jìn)入腸道組織[20-21]。在運(yùn)輸過程中,鉛與其他金屬競爭運(yùn)輸?shù)鞍滓约敖Y(jié)合蛋白,因此鉛的吸收受人體攝入的營養(yǎng)素影響[18,22]。

鉛分布過程中,血液將鉛運(yùn)送到各個靶器官,起到關(guān)鍵的連接與運(yùn)輸作用。血液中約99%的鉛被紅細(xì)胞吸收[23],其余的鉛在血漿中進(jìn)行傳輸,血液中的大部分鉛與蛋白質(zhì)或者配體絡(luò)合[24-27]。骨骼以不溶性磷酸鹽的形式儲存鉛,承擔(dān)了人體中約95%的鉛含量[23]。鉛可以隨新骨生成儲存在骨礦物基質(zhì)中。同時,鉛以異質(zhì)離子交換返回血漿,或者在破骨細(xì)胞主導(dǎo)的骨吸收過程中釋放返回血液[28-31]。軟組織中的鉛主要與蛋白質(zhì)結(jié)合,目前已有研究在大鼠的大腦與腎臟中發(fā)現(xiàn)了與鉛親和力很高的鉛結(jié)合蛋白[32-33]。

人體內(nèi)不同形式的鉛存在不同的代謝途徑。烷基鉛會在完全氧化后生成無機(jī)鉛,四甲基鉛和四乙基鉛會生成有高度神經(jīng)毒性的代謝物[34]。無機(jī)鉛通過配體反應(yīng)來進(jìn)行代謝,可與各種蛋白質(zhì)、氨基酸以及非蛋白硫醇結(jié)合形成配合物[18]。

鉛經(jīng)過腎小球濾過作用和近端腎小管重吸收作用隨尿液排出人體[35-36]。糞便和唾液等均是鉛的排出途徑[37],如圖1所示。

圖1 鉛的動力學(xué)機(jī)制示意圖Figure 1 Schematic diagram of kinetic mechanism of lead.

2.2 單細(xì)胞水平上鉛動力學(xué)機(jī)制

隨著單細(xì)胞技術(shù)的發(fā)展,厘清鉛傳輸與鉛分布的細(xì)胞機(jī)制,完善單細(xì)胞水平上的鉛動力學(xué)機(jī)制,成為探究人體內(nèi)鉛動態(tài)變化以及改善鉛中毒治療效果的一種有效途徑。

鉛在生物體內(nèi)的細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制與大多數(shù)離子相近。血液中的鉛通過介導(dǎo)Cl-與HCO3-的陰離子交換蛋白[38],以及鈉泵與鈣泵的陽離子轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制進(jìn)入紅細(xì)胞[39-40]。研究發(fā)現(xiàn),鉛可以通過鈣離子通道進(jìn)入大鼠垂體瘤細(xì)胞(GH3細(xì)胞)與大腦的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞[38,41-44]。陰離子交換蛋白也參與了腦部星形膠質(zhì)細(xì)胞的鉛運(yùn)輸過程[38,41-44]。利用體外建立的血腦屏障模型,可以證明二價金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1在血腦屏障中鉛轉(zhuǎn)運(yùn)的介導(dǎo)作用[38,41-44]。腎臟中的鉛通過二價金屬間共同存在的競爭性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn),包括鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白以及二價金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1,但具體細(xì)節(jié)仍存在爭議[44]。

隨著細(xì)胞異質(zhì)性的不斷驗證[45-46],同一類型細(xì)胞對同種污染物的不同反應(yīng)也與人體內(nèi)的鉛動力學(xué)高度相關(guān)。細(xì)胞異質(zhì)性所導(dǎo)致的隨機(jī)過程會在微觀角度上影響鉛的轉(zhuǎn)運(yùn)與分布,但鉛總量層面的檢測與研究忽略了細(xì)胞的異質(zhì)性,這也是當(dāng)前鉛治療效果受限的關(guān)鍵所在。鉛的總量分布差異可以間接地體現(xiàn)細(xì)胞間的鉛含量存在異質(zhì)性。不同組織中鉛的分布顯然不同,但同一組織中的不同區(qū)域同樣存在鉛分布的差異性。如,肺部不同肺段累積的鉛濃度存在顯著差異性,區(qū)域淋巴結(jié)中累積的鉛濃度則明顯高于肺部平均鉛濃度[47]。骨骼中的鉛在不同部位的積累機(jī)制不同,其濃度分布與該部位的礦化程度有關(guān)[48-50]。更為直觀的是,有研究發(fā)現(xiàn),胎兒血紅蛋白特有的γ鏈對鉛的親和力相比成人血紅蛋白中的α或β鏈明顯增強(qiáng)[25-27]。近期的一篇研究發(fā)現(xiàn),血液中單個紅細(xì)胞中的鉛含量呈現(xiàn)差異性分布。其中,成熟紅細(xì)胞中的鉛含量明顯低于網(wǎng)織紅細(xì)胞中的鉛含量。由于紅細(xì)胞主要在骨髓生成,網(wǎng)織紅細(xì)胞是紅細(xì)胞的前體,說明隨著血細(xì)胞的分化成熟,單個血細(xì)胞中的鉛含量呈現(xiàn)逐步下降的趨勢[51]。因此,血細(xì)胞極有可能在骨髓生成階段吸收大量鉛,隨著其分化成熟逐漸釋放鉛。

細(xì)胞異質(zhì)性不僅體現(xiàn)在污染物的分布吸收中,還體現(xiàn)在污染物對不同狀態(tài)細(xì)胞的損傷程度上[52]。這也表明,隨著單細(xì)胞研究的不斷深入,不同細(xì)胞對某一類型的化學(xué)污染物的反應(yīng)差異是可預(yù)測的[51]?，F(xiàn)有的鉛動力學(xué)機(jī)制多數(shù)從組織層面進(jìn)行解讀,單細(xì)胞水平上的鉛動力學(xué)機(jī)制研究占比較少,所以忽視了鉛分布的細(xì)胞異質(zhì)性及其他在人體健康風(fēng)險中所起的作用。因此,需要完善單細(xì)胞水平上鉛的動力學(xué)機(jī)制,揭示各種隨機(jī)過程導(dǎo)致的細(xì)胞間的鉛分布差異性,形成單細(xì)胞水平上鉛循環(huán)的閉環(huán)路徑,從而對鉛暴露可能造成的細(xì)胞毒性進(jìn)行預(yù)估,進(jìn)一步對各種臨床檢測的低水平鉛暴露癥狀進(jìn)行單細(xì)胞水平上的溯源和治療。

3 鉛的動力學(xué)模型

根據(jù)鉛的動力學(xué)機(jī)制與模型,人體內(nèi)的鉛循環(huán)可主要劃分為三個區(qū)室:血池、骨池和軟組織池[37,53-56]。隨著鉛的生物動力學(xué)、骨骼中礦物質(zhì)的代謝規(guī)律等相關(guān)的研究進(jìn)展,建模工作得以進(jìn)一步完善和擴(kuò)展。目前,在鉛風(fēng)險評估中廣受認(rèn)可并且被廣泛應(yīng)用的動力學(xué)模型有三種:1)O’Flaherty模型;2)美國環(huán)境保護(hù)署提出的兒童鉛綜合暴露吸收生物動力學(xué)模型;3)Leggett模型[18]。O’Flaherty模型主要考慮了年齡因素對模型的影響,可應(yīng)用于廣泛年齡范圍內(nèi)的人體血鉛濃度評估[31,57-60],如圖2(a)所示;兒童的鉛綜合暴露吸收生物動力學(xué)模型則主要應(yīng)用于0～7歲兒童人群,其中包含對于鉛暴露來源的詳細(xì)分類[61],如圖2(b)所示;Leggett模型可以廣泛適用于堿土元素以及動力學(xué)機(jī)制與鈣類似的相關(guān)元素,其區(qū)室劃分細(xì)致,被認(rèn)為是鉛藥代動力學(xué)中較為先進(jìn)的模型[62],如圖2(c)所示。

圖2 廣泛應(yīng)用的鉛動力學(xué)模型示意圖[31,57-62](a)O’Flaherty模型;(b)兒童的鉛綜合暴露吸收生物動力學(xué)模型;(c)為Leggett模型Figure 2 Schematic diagram of lead kinetic models widely used[31,57-62].(a)O’Flaherty model;(b)The integrated exposure uptake biokinetic model for lead in children;(c)Leggett model

在鉛動力學(xué)模型由三區(qū)室向多區(qū)室發(fā)展的過程中,模型中不同鉛周轉(zhuǎn)率的區(qū)域劃分更加詳細(xì),越來越多的影響因素被納入考量,如表1所示。有研究以鈣與鉛的競爭性動力學(xué)為主導(dǎo),嘗試將分子機(jī)制轉(zhuǎn)化為具體的數(shù)學(xué)描述。但該模型同樣存在一定的局限性,例如,缺少更加具體的生物學(xué)基礎(chǔ)、分子和細(xì)胞機(jī)制作為理論依據(jù)[63]。

表1 不同鉛動力學(xué)模型的特征

值得關(guān)注的是,鉛動力學(xué)模型的建立愈加重視細(xì)胞機(jī)制的作用,考量不同離子的交換作用及元素競爭作用。模型的發(fā)展趨勢也更加體現(xiàn)了鉛動力學(xué)領(lǐng)域?qū)?xì)胞、分子水平上鉛轉(zhuǎn)運(yùn)與鉛分布機(jī)制的探尋與需求。當(dāng)前的鉛動力學(xué)模型將復(fù)雜的運(yùn)輸機(jī)制轉(zhuǎn)化為不同區(qū)室之間的周轉(zhuǎn)率,平均化地預(yù)估各個區(qū)室的鉛總量水平,忽視了單細(xì)胞水平上存在的分布差異。單細(xì)胞水平上的鉛動力學(xué)模型將形成單細(xì)胞水平上鉛轉(zhuǎn)運(yùn)與鉛分布機(jī)制的閉環(huán),結(jié)合細(xì)胞機(jī)制與細(xì)胞的異質(zhì)性進(jìn)行研究,完善人體內(nèi)單細(xì)胞水平上的鉛運(yùn)輸路徑,有針對性地識別鉛相關(guān)毒理效應(yīng)的誘因,構(gòu)建鉛從輸入到傳輸再到排出的完整通路,并且根據(jù)鉛動力學(xué)的運(yùn)輸與分布機(jī)制進(jìn)行引導(dǎo),建立臨床上的高效治療方法。單細(xì)胞水平上的鉛動力學(xué)模型需要更為成熟的單細(xì)胞檢測技術(shù)支撐,并且借助相關(guān)的大數(shù)據(jù)研究與數(shù)學(xué)建模方法對檢測得到的批量單細(xì)胞數(shù)據(jù)擬合分析,實現(xiàn)體內(nèi)鉛暴露來源的定位追蹤,從而完成人體內(nèi)鉛的溯源。

單細(xì)胞水平上鉛動力學(xué)機(jī)制的完善以及鉛動力學(xué)模型的建立對單細(xì)胞檢測技術(shù)提出了新的要求,而傳統(tǒng)的鉛檢測技術(shù)無法實現(xiàn)細(xì)胞機(jī)制與細(xì)胞異質(zhì)性的研究,單細(xì)胞水平上的鉛檢測技術(shù)成為了鉛的單細(xì)胞研究的關(guān)鍵所在。

4 單細(xì)胞水平上鉛的檢測技術(shù)

傳統(tǒng)的鉛檢測方法已經(jīng)具有較高的靈敏度和準(zhǔn)確度,但只能得到樣本中鉛的總量或者平均指標(biāo),無法獲得單細(xì)胞層面的信息。單細(xì)胞水平上鉛的檢測技術(shù)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測方法的缺陷,探索單細(xì)胞層面的傳輸與作用機(jī)制,更好地體現(xiàn)單細(xì)胞分析所強(qiáng)調(diào)的細(xì)胞異質(zhì)性。本章節(jié)總結(jié)了現(xiàn)有單細(xì)胞水平上的金屬檢測技術(shù),并對這些技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行簡要介紹,以便為人體內(nèi)單細(xì)胞水平上鉛的細(xì)胞機(jī)制研究提供有效的工具。

4.1 流式細(xì)胞技術(shù)

細(xì)胞流式技術(shù)是當(dāng)前鉛研究領(lǐng)域應(yīng)用最廣且較為成熟的單細(xì)胞檢測技術(shù)。該技術(shù)通過熒光探針將熒光基團(tuán)與金屬連接,再利用流式細(xì)胞技術(shù)進(jìn)行分選與分析,從而實現(xiàn)單細(xì)胞層水平上的金屬檢測。得益于發(fā)展較為成熟的熒光成像技術(shù),目前已有較多用于檢測鉛及其他金屬的熒光探針[64]。相比其他體外檢測或確定細(xì)胞內(nèi)是否含鉛的熒光探針,目前的最新研究構(gòu)建了一種基于若丹明的熒光探針RPb1,可用于細(xì)胞內(nèi)不穩(wěn)定鉛的檢測,同時利用結(jié)直腸腺癌細(xì)胞(DLD-1細(xì)胞)對其與鉛結(jié)合的靈敏度進(jìn)行驗證。隨后該研究利用流式細(xì)胞技術(shù)對不同分化程度的人慢性髓系白血病細(xì)胞(K562細(xì)胞)中的不穩(wěn)定鉛進(jìn)行檢測,結(jié)果表明,隨著細(xì)胞分化程度的提高,蛋白結(jié)合鉛的水平增加[65]。

4.2 質(zhì)譜流式細(xì)胞技術(shù)

質(zhì)譜流式技術(shù)將流式細(xì)胞儀與質(zhì)譜儀進(jìn)行結(jié)合,利用重金屬同位素標(biāo)記與抗原特異性結(jié)合進(jìn)行鑒定區(qū)分,解決了多參數(shù)檢測中熒光發(fā)射光譜較寬導(dǎo)致的重疊問題,同時實現(xiàn)了細(xì)胞亞群分析與多參數(shù)分析[66]。該技術(shù)方法在與免疫相關(guān)的研究中已經(jīng)發(fā)展得較為成熟,在金屬領(lǐng)域的應(yīng)用仍然需要拓展。目前有研究利用質(zhì)譜流式技術(shù)與單細(xì)胞數(shù)據(jù)的擬合方法對鉛中毒患者與健康受試者中的鉛分布模式進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)個體成熟紅細(xì)胞中的鉛含量具有高度異質(zhì)性,鉛中毒患者與健康受試者的單個成熟紅細(xì)胞中的鉛含量均符合伽馬分布,且血細(xì)胞中的鉛含量隨著其分化程度的上升而下降。該研究也為鉛的體內(nèi)循環(huán)研究提供了單細(xì)胞水平研究上的新思路[51]。

4.3 基于電感耦合等離子體質(zhì)譜的單細(xì)胞檢測技術(shù)

電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù)作為近些年金屬檢測應(yīng)用最廣泛的研究技術(shù),其靈敏度得到了普遍認(rèn)可[67-68]。目前單細(xì)胞水平上可應(yīng)用的金屬檢測技術(shù)包括單細(xì)胞電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù)、電感耦合等離子體飛行時間質(zhì)譜技術(shù)和激光燒蝕-電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù)等。

單細(xì)胞電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù)根據(jù)稀釋法及微流控等方法,利用單個細(xì)胞間的充分分離來得到非連續(xù)信號,實現(xiàn)單細(xì)胞水平上的金屬檢測,其信號強(qiáng)度與單個細(xì)胞中的金屬含量成正比[69]。有研究采用單細(xì)胞電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù)測定了單個釀酒酵母細(xì)胞中的銀濃度[70],也有研究使用該方法實現(xiàn)了單個細(xì)胞中的多種內(nèi)源性金屬元素的準(zhǔn)確測定[69]。

電感耦合等離子體飛行時間質(zhì)譜可以實現(xiàn)大量分析物中短瞬態(tài)信號的多元素測量。根據(jù)電感耦合等離子體飛行時間質(zhì)譜的單細(xì)胞分析方法,有研究探究了包括鉛在內(nèi)的6種重金屬對酵母細(xì)胞吸收磷的影響[71]。已有研究利用電感耦合等離子體飛行時間質(zhì)譜技術(shù)實現(xiàn)了高達(dá)16種金屬的同時間多元素特異性檢測[72]。

激光燒蝕-電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù)主要通過前處理方法生產(chǎn)單細(xì)胞陣列,用激光燒灼單個細(xì)胞產(chǎn)生氣溶膠,氣溶膠被引入電感耦合等離子體質(zhì)譜實現(xiàn)單細(xì)胞水平上的分析。利用激光燒蝕-電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù)可以對單個巨噬細(xì)胞中的銀納米顆粒進(jìn)行定量[73]?；趬弘娐晫W(xué)微陣列的單細(xì)胞陣列新技術(shù),有研究首次利用激光燒蝕-電感耦合等離子體飛行時間質(zhì)譜完成了單細(xì)胞內(nèi)源性同位素的指紋圖譜[74]。

但是,基于電感耦合等離子體質(zhì)譜技術(shù)的單細(xì)胞分析方法仍存在較多挑戰(zhàn),需要標(biāo)準(zhǔn)化的技術(shù)方案[75]與前處理方法來實現(xiàn)該技術(shù)的定量檢測。

4.4 單細(xì)胞水平上的其他金屬檢測技術(shù)

除以上較為系統(tǒng)的研究技術(shù)外,現(xiàn)有研究通過結(jié)合熒光探針與微流控制系統(tǒng)實現(xiàn)了單細(xì)胞中多種金屬離子的分析[76],也有研究利用透射電子顯微鏡、X射線熒光顯微鏡、納米二次離子質(zhì)譜等實現(xiàn)了單細(xì)胞水平上金屬的成像[77-79],但其成像精度使其應(yīng)用范圍受限,主要應(yīng)用于細(xì)胞體積較大的植物細(xì)胞等。

雖然當(dāng)前單細(xì)胞技術(shù)日益完善,但單細(xì)胞水平上鉛的檢測技術(shù)仍需進(jìn)一步探索與完善,以便支撐鉛暴露有關(guān)的單細(xì)胞研究。

5 結(jié)論與展望

可再生能源的日益普及,可能導(dǎo)致新的人體鉛暴露來源;而體內(nèi)骨骼對于鉛的儲存作用,可能使大量人群面臨老年時期的體內(nèi)鉛釋放風(fēng)險,甚至在母體懷孕階段威脅嬰幼兒的發(fā)育健康,所以鉛有關(guān)的人體健康風(fēng)險研究仍十分重要。當(dāng)前的鉛檢測技術(shù)可以實現(xiàn)高精度的鉛總量檢測,但單細(xì)胞水平上鉛的檢測技術(shù)仍有待推廣應(yīng)用。檢測技術(shù)的局限性導(dǎo)致鉛細(xì)胞機(jī)制的研究較為欠缺,細(xì)胞異質(zhì)性的相關(guān)研究十分有限。多數(shù)單細(xì)胞水平的鉛研究從毒理效應(yīng)入手尋求其對應(yīng)的細(xì)胞機(jī)制,以減少靶器官的毒理效應(yīng),忽略了鉛動力學(xué)中可能存在的調(diào)控作用與細(xì)胞異質(zhì)性作用,因此較少有研究致力于單細(xì)胞水平上鉛的運(yùn)輸與分布。鉛動力學(xué)模型依舊停留在組織層面的鉛總量估算,缺乏對于鉛動力學(xué)的動態(tài)考量,限制了鉛循環(huán)完整體系的構(gòu)建與鉛臨床治療效果的改善。

鉛循環(huán)中,血液作為關(guān)鍵的鉛運(yùn)輸載體,在不同發(fā)育階段直接接收不同的鉛暴露,包括發(fā)育過程中人體骨骼的鉛暴露以及成熟后外界環(huán)境直接攝入和吸入的鉛暴露。而其他軟組織則由血液進(jìn)行鉛的傳輸,間接性地暴露骨骼以及外界環(huán)境中的鉛,這表明血液在鉛的溯源機(jī)制中起到關(guān)鍵作用。鉛污染造成的骨鉛蓄積問題對于血液存在著暴露風(fēng)險,我們對于人體內(nèi)鉛循環(huán)細(xì)胞機(jī)制的認(rèn)識尚不成熟,無法對現(xiàn)階段鉛的暴露風(fēng)險和健康效應(yīng)進(jìn)行預(yù)估,也無法進(jìn)一步完成臨床治療中鉛的溯源與根除性治療。

隨著單細(xì)胞技術(shù)和生物數(shù)學(xué)模型的發(fā)展,鉛的研究重點應(yīng)該逐漸由總量轉(zhuǎn)移到細(xì)胞層面。從而完善鉛動力學(xué)中的細(xì)胞機(jī)制,建立血液中鉛運(yùn)輸?shù)穆窂揭约皠討B(tài)的動力學(xué)模型,探索鉛分布異質(zhì)性的影響因素與可引導(dǎo)的鉛排出路徑,提出有效的臨床治療方法。完善的單細(xì)胞理論基礎(chǔ),標(biāo)準(zhǔn)化和體系化的前處理與檢測方法,儀器的聯(lián)用和創(chuàng)新是其中的決定性因素。利用單細(xì)胞水平上鉛的檢測技術(shù)進(jìn)行樣品的分析,結(jié)合動物實驗進(jìn)行驗證,將單細(xì)胞水平上鉛含量與動力學(xué)機(jī)制及鉛來源等信息相結(jié)合,能為我們解決單細(xì)胞水平上人體內(nèi)鉛動力學(xué)的未知機(jī)制提供新思路。