PM2.5呼吸系統(tǒng)毒性的研究進(jìn)展

王婷婷 張秀芳 宋 磊

(淄博市第一醫(yī)院中西醫(yī)結(jié)合科，山東 淄博 255200)

大氣顆粒污染物(PM)已經(jīng)成為人類關(guān)注的重要公共問題之一。近年來，隨著空氣污染的逐漸加重，人類呼吸系統(tǒng)疾病如哮喘、慢性阻塞性肺疾病(COPD)、肺癌等發(fā)病率在全國(guó)范圍內(nèi)呈上升趨勢(shì)。PM2.5是大氣顆粒污染物的主要組分，可以攜帶細(xì)菌和有毒化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入下呼吸道并不易排出。本文就PM2.5的一般理化性質(zhì)、PM2.5與呼吸系統(tǒng)疾病的流行病學(xué)研究及PM2.5對(duì)呼吸系統(tǒng)損傷的相關(guān)機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 PM2.5簡(jiǎn)介

1.1PM2.5的定義及來源 大氣中的固體或液體顆粒狀物質(zhì)稱為顆粒物，其中顆粒物又可以按照空氣動(dòng)力學(xué)直徑分為可吸入顆粒和總懸浮顆粒物(TSP)。在TSP中PM2.5是空氣動(dòng)力學(xué)直徑≤2.5 μm的顆粒物，又稱細(xì)顆粒物。PM2.5來源復(fù)雜，根據(jù)形成方式不同概括為人為來源、自然來源及生成的二次顆粒來源〔1〕。人為來源包括各種工業(yè)生產(chǎn)和生活過程的能源燃燒、煙塵排放和交通工具的尾氣排放，同時(shí)也是PM2.5的主要來源。自然來源主要是自然界的災(zāi)害事件如火山爆發(fā)、沙塵暴事件。另外，空氣中某些有機(jī)化合物如二氧化硫、氮氧化物和氨氣可以經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生二次顆粒，也是PM2.5的重要來源。

1.2PM2.5的組成及作用特點(diǎn) PM2.5的組成十分復(fù)雜，隨著地域變化差別較大〔2〕，包括有機(jī)成分、無機(jī)成分和生物成分。其中有機(jī)成分主要為脂肪烴、芳烴、多環(huán)芳烴和醇、酮、酸、脂等。無機(jī)成分包括汞、鉛、鎘、鋅、錳等重金屬，另外還包括病毒、細(xì)菌和真菌等生物成分。PM2.5使空氣能見度嚴(yán)重降低，給環(huán)境帶來重要影響，同時(shí)由于PM2.5表面積大，更容易攜帶空氣中的有害物質(zhì)，如PM2.5的多環(huán)芳烴苯并芘對(duì)人體有致癌作用，并在空氣中長(zhǎng)時(shí)間懸浮，增加了對(duì)呼吸道的暴露機(jī)會(huì)。另外，PM2.5相對(duì)于其他粗顆粒體積較小，因此能夠隨人類呼吸到達(dá)肺組織深部，穿過肺泡隨血液循環(huán)流動(dòng)到達(dá)全身各處，對(duì)多系統(tǒng)造成損害〔3，4〕。

2 PM2.5與呼吸系統(tǒng)疾病的流行病學(xué)調(diào)查

大量流行病學(xué)資料表明PM2.5與多種呼吸道疾病如COPD、哮喘、肺癌等的發(fā)生發(fā)展具有相關(guān)性〔5，6〕。對(duì)北京城市地區(qū)2013年P(guān)M2.5污染程度與當(dāng)?shù)啬翅t(yī)院急診科收治的呼吸系統(tǒng)相關(guān)疾病進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)慢性阻塞性肺疾病急性加重(AECOPD)的門診量與PM2.5的污染程度呈顯著相關(guān)性，另外女性及老年人對(duì)PM2.5相關(guān)的呼吸系統(tǒng)疾病有更明顯的易感性〔7〕。研究者通過分析哮喘患者加重時(shí)的用藥情況、呼吸頻率、并發(fā)癥等指標(biāo)評(píng)估患者哮喘發(fā)作的嚴(yán)重程度與當(dāng)?shù)豍M2.5的污染情況對(duì)比分析，認(rèn)為哮喘急性加重期間癥狀最明顯的PM2.5濃度分布在4.00～7.06 μg/m3，提示PM2.5與哮喘急性加重之間的相關(guān)性程度在不同PM2.5濃度中可能不是恒定的〔8〕。對(duì)北京地區(qū)2008～2014年P(guān)M2.5的嚴(yán)重程度、氣候條件和流感樣癥狀綜合分析，發(fā)現(xiàn)PM2.5污染嚴(yán)重可導(dǎo)致流感樣癥狀的發(fā)生率增加，在青年和中年人群中這種相關(guān)性更加明顯〔9〕。Fu等〔10〕基于不同地區(qū)PM2.5嚴(yán)重程度和人口數(shù)據(jù)在全國(guó)范圍內(nèi)觀察PM2.5與肺癌的關(guān)系，認(rèn)為在中國(guó)，PM2.5暴露能夠增加肺癌的風(fēng)險(xiǎn)，PM2.5的長(zhǎng)期暴露無論是在男性群體還是女性群體中都能增加肺癌的死亡率。美國(guó)一項(xiàng)研究調(diào)查分析了PM2.5的成分來源與呼吸科門診量的關(guān)系，認(rèn)為造成呼吸科門診量增加的PM2.5成分主要與生物質(zhì)燃燒有關(guān)，而與汽車尾氣、灰塵來源可能不相關(guān)〔11〕。

3 PM2.5影響呼吸系統(tǒng)疾病的作用機(jī)制

3.1PM2.5與氧化應(yīng)激 大量體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)及動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PM2.5會(huì)引起活性氧(ROS)產(chǎn)生增多。經(jīng)過PM2.5暴露的小鼠，在外周血液上清中及肺組織和心臟組織中ROS增多〔12，13〕。ROS是機(jī)體產(chǎn)生的一種正常代謝產(chǎn)物，同時(shí)人體內(nèi)還存在一種抗氧化系統(tǒng)，正常情況下，各組織器官處于氧化/抗氧化系統(tǒng)平衡狀態(tài)，當(dāng)兩種系統(tǒng)失衡時(shí)，過多的氧化產(chǎn)物可對(duì)人體造成損害。研究表明，PM2.5因攜帶大量的重金屬、多環(huán)烴類等物質(zhì)刺激氣道經(jīng)過巨噬細(xì)胞吞噬代謝作用等使氣道產(chǎn)生ROS，而自由基可連鎖反應(yīng)產(chǎn)生更多自由基，同時(shí)抗氧化物質(zhì)被過度消耗，使機(jī)體氧化/抗氧化系統(tǒng)失衡。過多的ROS可以對(duì)氣道上皮細(xì)胞和肺泡細(xì)胞產(chǎn)生一系列損害，包括細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞，激活炎癥相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子促進(jìn)炎癥介質(zhì)的釋放，是導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)疾病的重要因素。據(jù)報(bào)道PM2.5可以通過誘導(dǎo)肺泡上皮細(xì)胞線粒體復(fù)合物Ⅲ產(chǎn)生過量的ROS，并通過凋亡信號(hào)調(diào)節(jié)激酶1/c-Jun氨基末端液酶(ASK1/JNK)和p53的激活促進(jìn)肺泡上皮細(xì)胞凋亡〔14〕。核轉(zhuǎn)錄因子E2相關(guān)因子(Nrf)2是內(nèi)源性抗氧化酶表達(dá)所必需的轉(zhuǎn)錄因子，有研究指出Nrf2介導(dǎo)了ROS引起的PI3K/AKT信號(hào)通路的激活，作為一種防御因子，抵抗氧化應(yīng)激對(duì)A549細(xì)胞造成的損害〔15〕。因此Nrf2相關(guān)通路的研究可以為細(xì)顆粒暴露引起的呼吸道氧化應(yīng)激損傷治療策略提供參考價(jià)值。

3.2PM2.5與炎癥反應(yīng) PM2.5與炎癥反應(yīng)密切相關(guān)。而炎癥反應(yīng)機(jī)制與哮喘、COPD和肺炎等呼吸道疾病密切相關(guān)。用一定濃度PM2.5刺激小鼠氣道，可以引起小鼠氣道高反應(yīng)〔16〕，這與哮喘的癥狀相似。有研究將收集到的PM2.5對(duì)小鼠進(jìn)行經(jīng)鼻滴入，2 w后發(fā)現(xiàn)小鼠氣道反應(yīng)性增高，支氣管肺泡灌洗液中嗜酸粒細(xì)胞、白細(xì)胞介素(IL)-5、IL-22、嗜酸細(xì)胞活化趨化因子增高，產(chǎn)生哮喘樣氣道炎癥反應(yīng)〔17〕。將人支氣管上皮細(xì)胞暴露于PM2.5中，檢測(cè)基因表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)發(fā)生明顯變化的有539個(gè)基因，其中包括大量與炎癥、代謝反應(yīng)相關(guān)的基因，如絲裂原活化蛋激酶(MAPK)信號(hào)傳導(dǎo)相關(guān)基因，并發(fā)現(xiàn)IL-6表達(dá)明顯增多〔18〕。有研究將幼年小鼠和老年小鼠分別暴露于汽車尾氣中，檢測(cè)小鼠肺組織炎癥因子的產(chǎn)生，發(fā)現(xiàn)IL-6和IL-8都表達(dá)增加，而老年小鼠的變化更加明顯，老年小鼠對(duì)汽車尾氣敏感性更高，提示老年人對(duì)細(xì)顆粒物引起的肺部疾病易感性更高〔19〕。進(jìn)一步揭露具體分子機(jī)制時(shí)，發(fā)現(xiàn)許多信號(hào)通路參與了PM2.5引起的炎癥反應(yīng)。在Nrf2基因敲除小鼠中，PM2.5暴露引起的氣道氧化應(yīng)激可以引起更加明顯的過敏性哮喘樣癥狀〔20〕。另外引起氣道炎癥反應(yīng)的主要是多環(huán)芳烴類等有機(jī)物，因此城市中大量汽車尾氣的排放對(duì)氣道炎癥起了主要作用。

3.3PM2.5與免疫異常 呼吸系統(tǒng)的防御系統(tǒng)包括固有免疫系統(tǒng)和適應(yīng)性免疫系統(tǒng)，參與的免疫細(xì)胞包括肺巨噬細(xì)胞、樹突細(xì)胞、肥大細(xì)胞和淋巴細(xì)胞等，肺泡巨噬細(xì)胞通過對(duì)進(jìn)入肺內(nèi)的顆粒物的吞噬作用發(fā)揮免疫防御。Toll樣受體(TLR)4主要表達(dá)于單核-巨噬細(xì)胞表面，是識(shí)別相關(guān)病原體模式的一種模式識(shí)別受體，是參與非特異性免疫(天然免疫)的一類重要蛋白質(zhì)分子，在PM2.5相關(guān)的免疫應(yīng)答中發(fā)揮重要作用。PM2.5可以引起肺泡巨噬細(xì)胞中腫瘤壞死因子-α的表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞凋亡。Shoenfelt等〔21〕發(fā)現(xiàn)PM2.5能夠誘導(dǎo)肺組織和肺泡支氣管灌洗液中TLR4的表達(dá)下調(diào)，外周單個(gè)核細(xì)胞中TLR4表達(dá)上調(diào)，并引起Th1/Th2細(xì)胞失衡，導(dǎo)致免疫功能紊亂。He等〔22〕收集城市環(huán)境中PM2.5(U-PM2.5)和沙塵暴來源的PM2.5(ASD-PM2.5)，分別對(duì)小鼠氣管滴入，發(fā)現(xiàn)兩種PM2.5都能引起肺組織中 F4/80+CD11b+細(xì)胞(M1型巨噬細(xì)胞)產(chǎn)生，但ASD-PM2.5誘導(dǎo)產(chǎn)生的CD206+F4/80+CD11b+細(xì)胞(M2型巨噬細(xì)胞)相比更多。M2型巨噬細(xì)胞能夠誘導(dǎo)Th2型細(xì)胞，主要參與急慢性炎癥反應(yīng)，提示ASD-PM2.5可引起Th2相關(guān)的免疫應(yīng)答。ASD-PM2.5與U-PM2.5有著較大的組分差異，提示PM2.5 中的不同組分對(duì)呼吸系統(tǒng)可能會(huì)產(chǎn)生不同的免疫應(yīng)答。

3.4PM2.5與DNA損傷 DNA損傷是細(xì)胞復(fù)制過程中發(fā)生的DNA核苷酸序列或性狀發(fā)生的遺傳性改變，內(nèi)外界因素可以導(dǎo)致肺泡或支氣管上皮細(xì)胞DNA的破壞，進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡或發(fā)生變異，并與細(xì)胞癌變密切相關(guān)。對(duì)PM2.5暴露的小鼠心臟組織和肺組織進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在心臟組織中有181個(gè)上調(diào)基因和178個(gè)下調(diào)基因，在肺組織中14個(gè)上調(diào)基因和43個(gè)下調(diào)基因，每個(gè)變化基因的上調(diào)或者下調(diào)有2～3倍的變化〔23〕。PM2.5誘導(dǎo)機(jī)體內(nèi)與癌變相關(guān)的生物學(xué)變化與其包含的多種金屬成分等有關(guān)，除了氧化應(yīng)激、免疫抑制和慢性炎癥等，最近已表明PM2.5可以通過DNA甲基化機(jī)制改變基因表達(dá)〔24〕。p53作為抑癌基因發(fā)生突變或沉默會(huì)參與到腫瘤的發(fā)生發(fā)展，在研究PM2.5與肺癌的相關(guān)關(guān)系中，Zhou等〔25〕將人支氣管上皮細(xì)胞(BEAS-2B)暴露于低濃度的PM2.5 10 d，結(jié)果發(fā)現(xiàn)p53啟動(dòng)子甲基化程度增高，進(jìn)一步研究相關(guān)的調(diào)控機(jī)制認(rèn)為PM2.5刺激BEAS-2B細(xì)胞，生成過量ROS并誘導(dǎo)Akt激活，通過ROS-Akt-DNMT3B通路介導(dǎo)的啟動(dòng)子超甲基化誘導(dǎo)P53的表觀遺傳沉默，從而參與PM2.5導(dǎo)致肺癌機(jī)制。有研究提示，在外周血白細(xì)胞中APC、p16、p53和RASSF1A的DNA甲基化水平增高，并與暴露的PM中高成分的金屬成分具有相關(guān)性〔26〕。

綜上，PM2.5與呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生密切相關(guān)，可通過誘導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng)、炎癥反應(yīng)和免疫異常等多種機(jī)制導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)的損傷。

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