PFAS与重金属混合物体外毒性研究：多细胞系中的协同效应揭示健康风险新机制

《Journal of Hazardous Materials Advances》：PFAS and heavy metals mixture in vitro: Insights into synergistic toxicity across multiple cell lines

本研究针对PFAS与重金属在环境中共存引发的复合污染问题，通过多细胞系模型系统评估了PFOA、GenX与铅、砷的混合毒性。结果显示，不同细胞系对混合物存在协同或拮抗的异质性响应，并证实低剂量暴露即可导致DNA损伤、增殖与迁移功能异常，为混合污染物风险评估提供了关键实验依据。

　　

在工业化进程加速的今天，全氟和多氟烷基物质（PFAS）与重金属作为两类广泛存在的环境污染物，正通过水源、土壤和空气悄然侵入人体。尽管它们各自的毒性已被大量研究，但当这些污染物在人体内"相遇"时，会产生怎样的"化学反应"？是简单叠加，还是会产生"1+1>2"的协同效应？这个科学谜题至今尚未被完全解开。

传统毒理学研究多聚焦于单一污染物的毒性效应，然而现实生活中的暴露场景往往是多种污染物的复杂混合。尤其值得关注的是，PFAS与重金属在环境介质中常被检测出共存现象，且两者在人体内的靶器官高度重叠——肝脏、肾脏、肺等关键器官均可能成为它们共同攻击的目标。这种共暴露是否会导致毒性效应的放大？其背后的分子机制又如何？这些问题不仅关乎基础毒理学认知的深化，更直接影响到公共卫生政策的制定和环境标准的修订。

为破解这一难题，来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校生物工程系的Mia Sands、Arshveer Sachdeva、Laura Bukavina和Joseph Irudayaraj研究团队在《Journal of Hazardous Materials Advances》上发表了创新性研究成果。研究团队选取了五种代表不同组织来源的人源细胞系——肝细胞（HepG2）、肾细胞（A498）、肺细胞（A549）、表皮细胞（A431）和前列腺细胞（PC3），系统考察了长链PFAS代表PFOA、其短链替代品GenX与铅（Pb）、砷（As）在不同配比下的混合毒性效应。

研究团队采用了一系列严谨的实验方法：通过MTT法评估细胞活力；运用克隆形成实验检测长期增殖能力；采用划痕实验分析细胞迁移功能；并通过彗星实验量化DNA损伤程度。特别值得一提的是，研究者创新性地引入了毒性单位（Toxic Unit, TU）概念，通过固定因子实验设计，在三种剂量比（3:1、1:1和1:3）和五个总毒性单位水平（∑TU=0.01、0.1、0.5、1、2）下系统评估混合物效应。

3.1. 单一化学物质在不同人源细胞系中的暴露效应

研究人员首先建立了各化合物在不同细胞系中的剂量-反应关系，计算出引起10%细胞活力抑制的效应浓度（EC₁₀）。结果显示，不同细胞系对同一化合物的敏感性存在显著差异。例如，砷在HepG2细胞中的EC₁₀为4.31 μM，而在A549细胞中为33.38 μM，相差近8倍。值得注意的是，PC3细胞在单独暴露于铅或砷时，反而出现细胞活力增加的现象，这提示前列腺细胞对重金属的响应模式可能与其他细胞类型存在本质区别。

3.2. PFAS与重金属混合物对人源细胞系活力的影响

混合物实验揭示了复杂的相互作用模式。在HepG2和A549细胞中，几乎所有测试的混合物组合均表现出协同毒性效应，即观察到的毒性显著高于基于单一化合物毒性预测的加和效应。然而，在A498肾细胞中，PFOA与砷在1:3和3:1配比下却表现出拮抗作用。类似地，在A431皮肤细胞和PC3前列腺细胞中，特定配比下的某些混合物也观察到了拮抗效应。这些结果凸显了混合物毒性效应的细胞类型特异性和剂量依赖性。

3.3. PFAS与重金属共暴露对不同人源细胞系细胞增殖的不同影响

在人类相关暴露剂量（1 μM PFAS和0.01 μM重金属）下，克隆形成实验结果显示细胞类型特异性响应更为明显。HepG2和A549细胞在混合物暴露后增殖能力显著受损，而A498和PC3细胞反而出现增殖增强的现象。特别值得关注的是，在HepG2细胞中，单独暴露于1 μM GenX并未显著影响克隆形成，但当与0.01 μM砷联合暴露时，克隆数量减少超过80%，表现出明显的协同抑制效应。

3.4. 通过划痕实验评估PFAS与重金属混合物的细胞迁移影响

细胞迁移能力的变化同样呈现出组织特异性。HepG2细胞的伤口愈合速率在PFOA单独暴露及与砷的混合物暴露下显著降低。A549细胞仅在对铅单独暴露时表现出迁移能力下降。而A431细胞对大多数处理均表现出迁移能力受损，显示出皮肤细胞对污染物暴露的独特敏感性。

3.5. 人类相关剂量下PFAS与重金属共暴露诱导的DNA损伤

彗星实验结果显示，在HepG2、A549和A431细胞中，PFAS与重金属混合物暴露引起的DNA损伤程度显著高于单一化合物暴露。特别值得注意的是，在A431细胞中，1 μM GenX与0.01 μM砷的联合暴露导致DNA损伤显著增加，而这两种化合物单独作用时均未引起显著效应，这再次证实了混合物协同毒性的存在。

研究结论与讨论部分指出，PFAS与重金属的混合物效应不仅取决于化学组合和剂量配比，还高度依赖于靶细胞的组织来源。这种细胞类型特异性响应可能源于不同组织中污染物代谢途径、解毒机制和DNA修复能力的差异。

从机制层面分析，研究者推测观察到的协同毒性可能与氧化应激（Oxidative Stress）的加剧有关。PFAS和重金属均可独立诱导活性氧（ROS）的产生，当两者共存时，可能通过不同机制协同放大氧化应激水平，导致更严重的DNA损伤和细胞功能紊乱。此外，污染物可能通过干扰细胞周期调控、凋亡信号通路和细胞间通讯等关键生理过程，共同促成观察到的毒性效应。

这项研究的重要启示在于，现行基于单一污染物的风险评估框架可能显著低估了实际环境中共存污染物带来的健康风险。特别是对于PFAS替代品（如GenX）的安全性评估，必须考虑其与其他常见污染物可能产生的协同效应。研究结果强调，未来环境标准制定和健康风险评价需要向混合物毒性评估范式转变，以更准确地反映真实世界的暴露场景。

当然，研究者也坦诚指出体外研究的局限性：缺乏代谢转化、组织间相互作用和免疫调节等体内复杂因素。因此，这些发现需要在动物模型和人类流行病学研究中进一步验证。未来研究可结合转录组学、蛋白质组学等多组学技术，深入解析混合物毒性的分子机制，为预测性毒理学的发展和精准预防策略的制定提供科学依据。

这项研究不仅为理解PFAS与重金属复合污染的毒性机制提供了重要实验证据，更重要的是为构建更加科学合理的混合物风险评估框架奠定了坚实基础，对保护公众健康和环境安全具有深远意义。