Linking Combustion-Derived Particle Physicochemical Properties to Pathologically Important Responses in Lung Cells

University Of Utah, Salt Lake City UT

Investigators

Linked publications & trials

Abstract

The  long-­term  objective  of  this  research  theme  seeks  to  identify  the  most  potent  components  of  particulate  matter  (PM)  and  to  develop  strategies  for  reducing  its  health  impacts.  This  project  focuses  on  combustion-­ derived  PM  (cdPM),  and  its  research  is  to  link  molecular  pathways  in  lung  cells  that  are  associated  with  adverse  cellular  responses  to  cdPM  and  adverse  human  health  effects  with  (a)  specific  and  environmentally  relevant  cdPM  physicochemical  properties  and  (b)  changes  in  these  properties  as  a  result  of  atmospheric  transformations and conditioning. The innovation is based on the ability to (a) reliably synthesize cdPM under  tightly controlled conditions to obtain specific properties, (b) to mimic key atmospheric transformations, and (c)  collect  cdPM  in  a  manner  that  will  preserve  the  properties  of  interest  during  exposure  of  target  cells.  This  approach will minimize confounding factors and enhance the reproducibility of the results, and it will allow the  project to explore how these distinct physicochemical properties link to: cellular uptake;? toxicity;? inflammatory  responses;? CYP enzyme regulation;? and activation of TRP ion channels. Although these are relatively standard  measures,  these  measures  are  good  indicators  of  in  vivo  models  and  human  health  effects.  The  Specific  Aims include: (1) the completion of a comprehensive career development plan that builds knowledge through  hands-­on experience and formal training;? (2) the synthesis of cdPM generated under conditions that mimic key  atmospheric  transformations,  resulting  in  real-­world  differences  in  shape,  size,  and  composition;?  and  (3)  the  linking of cdPM physicochemical properties to pathologically important outcomes in primary and immortalized  lung  cells  with  in  vivo  and  human-­health  relevance.    Much  cdPM  exposure  is  through  particle  inhalation  and  interactions  with  the  lung.  These  research  objectives  complement  the  proposal?s  comprehensive  career  development  plan  that  promotes  an  independent  research  career  for  PI,  Dr.  Kelly.  The  proposed  project  focuses  on  cdPM  because  it  is  a  significant  contributor  to  atmospheric  PM  levels,  and  cdPM  emission  regulations  focus  on  PM  mass  concentration.  However,  changes  in  cdPM  physicochemical  properties  associated with new fuels and new engine technologies tend to be considered only after these changes have  already been implemented, leading to unintended consequences.  This application offers an opportunity for a  researcher  trained  in  combustion,  cdPM  generation/characterization  to  gain  skills  in  biological  sciences  enabling  a  more  comprehensive  and  systematic  approach  to  understanding  the  effects  of  cdPM  physical  properties on health and biological outcomes. Completion of the proposed project will provide conclusive new  findings  about  how  cdPM  size,  shape,  and  composition  modify  biological  processes  that  may  be  pivotal  in  linking air pollution to commonly observed adverse outcomes in respiratory tissue. This information is essential  for  developing  improved  metrics  that  link  the  PM?s  health  effects  to  health  outcomes  and  for  developing  exposure mitigation strategies tailored to the most potent characteristics of PM.