PM2.5對呼吸系統(tǒng)的影響以及呼吸道益生菌的發(fā)展前沿

張瑜 肖純凌

[摘要] 當(dāng)大氣處于污染狀態(tài)時，大氣中各種懸浮顆粒物含量將增多，尤其是細顆粒物PM2.5。PM2.5因粒徑小，比表面積大，易于吸附空氣中有毒有害物質(zhì)且在大氣中懸浮停留時間長，輸送距離遠，所以在大氣污染中占據(jù)重要位置。PM2.5極易避開鼻毛和支氣管纖毛的濾過，由鼻腔入侵到達肺泡并沉積于肺組織，引起上呼吸道感染，并出現(xiàn)支氣管哮喘、肺炎等癥狀。呼吸道感染不僅影響健康發(fā)育，而且引起不少并發(fā)癥，嚴重還會危及生命。呼吸道菌群分類，優(yōu)勢菌制成益生菌制劑來調(diào)節(jié)呼吸道微生態(tài)失調(diào)等疾病以及對益生菌制劑研發(fā)尚在探索中。近年來，腸道、陰道益生菌制劑對人體微生態(tài)失調(diào)等疾病的治療已經(jīng)達到一定效果，但呼吸道益生菌制劑的應(yīng)用方面較少，成品治療有待進一步研發(fā)。

[關(guān)鍵詞] PM2.5；上呼吸道感染；呼吸道益生菌

[中圖分類號] R122.2 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-7210（2018）03（b）-0028-04

Effects of PM2.5 on respiratory system and the development of probiotics in respiratory tract

ZHANG Yu XIAO Chunling

Department of Environmental Pollution and Health， Shenyang Medical College， Liaoning Province， Shenyang 110034， China

[Abstract] When the atmosphere is polluted， the content of various suspended particulates in the atmosphere will increase， especially the fine particulate matter PM2.5. Due to its small particle size and large specific surface area， PM2.5 is easy to adsorb toxic and harmful substances in the air and stays in the air for a long time and has a long transportation distance. Therefore， it occupies an important position in air pollution. PM2.5 easily avoids nasal and bronchial cilia filtration， nasal invasion to the alveoli and deposited in the lung tissue， causing upper respiratory tract infection， and bronchial asthma， pneumonia and other symptoms. Respiratory infections not only affect the healthy development， but also cause a lot of complications， but also serious life-threatening. Classification of respiratory flora， the advantages of bacteria made of probiotics to regulate respiratory microecosystem disorders and other probiotics probiotics research are developing. In recent years， intestinal， vaginal probiotics on human diseases such as microbiological treatment has reached a certain effect， but less application of respiratory probiotics， the finished product treatment needs further research and development.

[Key words] PM2.5； Respiratory tract； Upper respiratory tract infection； Respiratory probiotics

隨著人類活動和科技的發(fā)展，環(huán)境問題也接踵而來。尤其在人口稠密的城市和工業(yè)區(qū)域，消耗大量能源的同時也將產(chǎn)生大量的廢氣。當(dāng)足夠濃度的廢氣排入空氣中達到足夠的時間，將影響空氣質(zhì)量，造成霧霾等環(huán)境污染[1]。而PM2.5對光具有吸收、散射和折射的作用，從而削弱了大氣能見度，所以被認為是造成霧霾的“元兇”[2]。

1 PM2.5的簡述

顆粒物（PM）是在全球大城市中威脅健康最大且仍在增長的空氣污染問題之一[3]。PM按其直徑的大小不同可分為粗顆粒物（PM10）、細顆粒物（PM2.5）、超細顆粒物（PM0.1）[4]。PM2.5的化學(xué)組成主要由碳組分、水溶性組分和無機元素三大類組成[5]。PM2.5來源多元化，主要是由空氣中的氣溶膠態(tài)污染物和氣態(tài)污染物反應(yīng)而來。其粒徑小，比表面積大，易于吸附空氣中有毒有害物質(zhì)，對重金屬的吸附能力顯著高于PM10，并且輸送距離遠，在大氣中懸浮停留時間長，可通過鼻腔、口咽部進而深入氣管、支氣管，并深達肺泡上皮細胞和血液中[6-7]。首先引起的是肺部的炎性反應(yīng)，再透過呼吸道屏障而釋放入血隨血液循環(huán)到達全身各靶器官，造成多種組織器官的損害，增加心血管疾病和呼吸道疾病發(fā)生的風(fēng)險[8]。研究表明，空氣污染會影響呼吸道疾病的住院治療，呼吸道疾病的住院率隨著PM和溫度的增加以及相對濕度的降低而增加，導(dǎo)致與呼吸道疾病相關(guān)的入院率顯著增加[9]。與PM10水平相比，PM2.5水平升高對呼吸相關(guān)住院的影響更大，且兒童和老人最容易患呼吸系統(tǒng)疾病[10]。

2 PM2.5對呼吸系統(tǒng)的影響

呼吸系統(tǒng)是大氣污染物直接作用的靶器官，主要功能是機體和外界進行氣體交換[11]。肺主要由支氣管分支及其末端形成的肺泡與肺泡周圍的毛細血管內(nèi)的血液進行氣體交換，通過血液循環(huán)輸送到全身各個器官組織?？諝庵泻械母鞣N有害物質(zhì)，在此區(qū)域進行氣體交換效率最高，肺部吸收毒物速度極快僅次于靜脈注射，同時在此處進入血液循環(huán)速度也是最快[12-13]。

2.1 PM2.5與呼吸道菌群

大氣污染物通過呼吸道進入人體后，大多直接作用于呼吸道黏膜，沉積在黏膜表面的有害顆粒物可以通過呼吸道黏膜表面的纖毛上皮細胞與黏液細胞混合，纖毛黏液系統(tǒng)對其具有清除作用。當(dāng)顆粒物極細小時，便有可能進入細胞，并因其直徑大小不同、侵入不同的細胞結(jié)構(gòu)，引起不同的損傷[14]。各種微生物群落及其基因（微生物群）存在于整個人體中，在人類健康和疾病中具有重要意義。受到宿主環(huán)境和免疫功能的影響，定植于呼吸道黏膜表面的正常菌群也不斷完善[15]。Herbst等[16]實驗表明有致病性的細菌首先在口、鼻、咽等部位黏膜處異常定植，然后到達下呼吸道，引起機體相應(yīng)的病理反應(yīng)，這也是引起哮喘發(fā)病的危險因素。Blainey等[17]研究表明，健康人呼吸道內(nèi)主要定植著五大菌門：擬桿菌門、厚壁菌門、變形菌門、梭桿菌門和放線菌門，它們所占的比例分別是53.139%、15.724%、12.482%、6.672%和5.271%。從而可以看出，厚壁菌門是呼吸道內(nèi)的優(yōu)勢菌群。從健康人體中經(jīng)分離得到的細菌主要有甲型鏈球菌、奈瑟球菌、嗜血桿菌、口腔黏球菌、葡萄球菌、棒狀桿菌及某些厭氧菌等。在口咽部黏膜上皮細胞表面，主要則是甲型鏈球菌，占口咽部菌群的90%，但是唾液中含有溶菌酶、免疫球蛋白等物質(zhì)，使得甲型鏈球菌作為口咽部的定植菌有強大的抵抗力。如果在大氣污染影響下超過了機體的承受能力，大小氣道功能均可受到不同程度的影響，使唾液中溶菌酶含量減少。鼻黏膜細菌總數(shù)以及溶血性鏈球菌檢出率明顯增高，口咽部厭氧菌密度高，破壞了機體穩(wěn)態(tài)，就會對機體造成損傷甚至是致病[18]。

人們原本認為健康狀態(tài)下的下呼吸道是無菌的，但隨著分子生物學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，微生物從定性、定位、定量三方面來檢查，就會發(fā)現(xiàn)許多微生物因轉(zhuǎn)換宿主定位轉(zhuǎn)移就可從不致病轉(zhuǎn)為致病[19]。肖純凌等[20]實驗表明，大氣污染物已引起上呼吸道微生態(tài)平衡破壞，吸入含有低濃度污染物（顆粒物、SO2、O3）長期反復(fù)作用于人體，可使機體免疫功能受到傷害，呼吸道防御功能受到損害，呼吸道抵御病原菌能力下降，出現(xiàn)呼吸道各種炎性反應(yīng)。經(jīng)流行病學(xué)調(diào)查，如果兒童早期缺乏與微生物接觸的機會，而導(dǎo)致過敏與今后發(fā)生哮喘和過敏性疾病的風(fēng)險密切相關(guān)[21-22]。

2.2 PM2.5與呼吸系統(tǒng)相關(guān)疾病

在近年來，現(xiàn)代先進醫(yī)學(xué)和環(huán)境科學(xué)技術(shù)制訂出科學(xué)合理研究方案進行系統(tǒng)研究，使微生物菌群與肺部疾病關(guān)系的研究有了飛速進展。PM2.5與呼吸系統(tǒng)疾病住院的相關(guān)性研究多見于歐美國家，我國對此類研究較少[23-24]。兒童正處在生長發(fā)育期，各大系統(tǒng)正處在健全完善免疫機制時期，對低濃度PM2.5較為敏感，PM2.5濃度與兒童呼吸系統(tǒng)健康的關(guān)系應(yīng)引起特別關(guān)注[25-27]。對于PM2.5影響兒童的呼吸系統(tǒng)健康，肺功能是反映人體呼吸系統(tǒng)健康狀況的重要指標之一。目前的研究多集中于PM2.5與成人每日死亡率的劑量-反應(yīng)關(guān)系，引起呼吸道感染甚至死亡[28-29]。機體通過免疫細胞活化，產(chǎn)生抗體，免疫復(fù)合物，吞噬細胞功能增強，以及各種細胞因子之間互相調(diào)節(jié)來清除PM2.5，同時也達到修復(fù)肺組織損傷的目的。因此，肺部的炎性反應(yīng)是呼吸系統(tǒng)一種正常的防御機制，但是，嚴重而長久的炎性反應(yīng)會導(dǎo)致肺組織的負擔(dān)增加，呼吸道免疫功能和抗感染能力下降，引起組織增生纖維化，致使慢性支氣管炎發(fā)病率和呼吸道易感染率明顯升高[30]。肺功能下降與大氣污染有關(guān)，主要表現(xiàn)為長期的慢性炎癥、阻塞性肺通氣功能障礙[31]。慢性阻塞性肺?。–OPD）患者因長期暴露于細顆粒物PM2.5中可加重慢性炎癥損傷，肺泡的巨噬細胞吞噬功能下降，免疫應(yīng)答減弱，此時受到PM2.5攻擊時炎性反應(yīng)更加明顯，導(dǎo)致COPD患者病情嚴重化[32]。急性上呼吸道感染（AURl）系由各種病原菌引起的上呼吸道炎癥，簡稱上感。當(dāng)人體受涼時，呼吸道血管收縮，血液供應(yīng)減少，局部抵抗力下降，病毒便容易侵入。反復(fù)呼吸道感染是指1年內(nèi)反復(fù)患上呼吸道感染5～7次以上或支氣管炎、肺炎2～3次以上，發(fā)病率在20%左右，是小兒最常見的疾病，起病急，全身癥狀為主，局部癥狀較輕，以后隨年齡增長而下降[33]。

3 呼吸道益生菌發(fā)展前景

越來越多的研究闡釋了復(fù)雜的呼吸道微生物組成及在多種臨床疾病過程中的作用，探討了大氣污染對呼吸道菌群的影響機制，篩選出呼吸道優(yōu)勢菌，為探索呼吸道疾病治療方法開辟了新途徑[34]。在基礎(chǔ)微生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域，研究最多的是腸道微生態(tài)，腸道微生物是人體重要的免疫組織，通過調(diào)節(jié)胃腸道菌群來治療炎癥性腸病。同樣，呼吸道優(yōu)勢菌對呼吸道微生物群的調(diào)節(jié)也有望成為慢性呼吸道疾病治療的方案之一[35]。有研究報道，呼吸道中藥微生態(tài)制劑選取呼吸道常用并對呼吸道具有特異療效的單味中藥或成方與呼吸道優(yōu)勢菌結(jié)合進行發(fā)酵，最大限度發(fā)揮中藥和菌群兩者對呼吸系統(tǒng)的作用[36]。還有研究表明，經(jīng)口給予某些特定益生菌如加氏乳桿菌等能降低哮喘患兒癥狀的嚴重程度，并改善其肺功能。直接呼吸道給予益生菌制劑例如噴霧或含漱的方式可作為口服應(yīng)用以外的新途徑[37-38]。

4 展望

大氣污染對健康的影響很復(fù)雜，一方面是人群健康影響因素的復(fù)雜性，另一方面是人群中個體差異反應(yīng)的復(fù)雜性。這其中包括個體敏感性，人的健康狀況、生理狀態(tài)、遺傳因素，均可影響人體對環(huán)境異常變化的反映強度和性質(zhì)，因此在研究環(huán)境與健康課題時也要統(tǒng)籌考慮。現(xiàn)代診斷、治療、預(yù)防等醫(yī)療措施，無論作用于人體或作用于微生物都將破壞人體的微生態(tài)平衡，如抗生素的應(yīng)用。自抗生素問世以來，對抗感染的治療起到不可否認的效果，但同時破壞正常菌群引起菌群失調(diào)等疾病。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)從治療醫(yī)學(xué)，預(yù)防醫(yī)學(xué)，發(fā)展到了保健醫(yī)學(xué)。而微生態(tài)學(xué)是保健醫(yī)學(xué)的基礎(chǔ)，是在微觀層次上研究人與環(huán)境的生態(tài)平衡與生態(tài)失調(diào)的科學(xué)[39]。

[參考文獻]

[1] Sun W，Sun J. Daily PM2.5 concentration prediction based on principal component analysis and LSSVM optimized by cuckoo search algorithm [J]. J Environ Manage，2017，188：144-152.

[2] Omidvarborna H，Kumar A，Kim DS. Variation of diesel soot characteristics by different types and blends of biodiesel in a laboratory combustion chamber [J]. Sci Total Environ，2016，544：450-459.

[3] Baxter LK，Duvall RM，Sacks J. Examining the effects of air pollution composition on within region differences in PM2.5 mortality risk estimates [J]. J Expo Sci Environ Epidemiol，2013，23（5）：457-465.

[4] Donaldson K，Stone V，Clouter A，et al. Ultrafine particles [J]. Occup Environ Med，2001，58（3）：211-216，199.

[5] Lipfert FW. Long-term associations of morbidity with air pollution：a catalog and synthesis [J]. J Air Waste Manag Assoc，2017.DOI：10.1080/10962247.2017.1349010.

[6] 喬玉霜，王靜，王建英.城市大氣可吸入顆粒物的研究進展[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2011，27（2）：22-26.

[7] Kong S，Lu B，Ji Y，et al. Risk assessment of heavy metals in road and soil dusts within PM2.5，PM10 and PM100 fractions in Dongying City，Shandong Province，China [J]. J Environ Monit，2012，14（3）：791-803.

[8] Potera C. Toxicity beyond the lung：connecting PM2.5，inflammation，and diab tes [J]. Environ Health Perspect，2014， 122（1）：A29.

[9] Jo EJ，Lee WS，Jo HY，et al. Effects of particulate matter on respiratory disease and the impact of meteorological factors in Busan，Korea [J]. Respir Med，2017，124：79-87.

[10] Ferreira TM，F(xiàn)orti MC，de Freitas CU，et al. Effects of particulate matter and its chemical constituents on elderly hospital admissions due to circulatory and respiratory diseases [J]. Int J Environ Res Public Health，2016，13（10）：497.

[11] 崔碩.基于微流控芯片技術(shù)的PM2.5對支氣管上皮細胞16HBE上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化影響的研究[D].大連：大連醫(yī)科大學(xué)，2015.

[12] Zhang T，Gao B，Zhou Z，et al. The movement and deposition of PM2.5 in the upper respiratory tract for the patients with heart failure：an elementary CFD study [J]. Biomed Eng Online，2016，15（Suppl 2）：138.

[13] 楊釗，張燕萍，桑田，等.臨汾市大氣PM10與5歲以下兒童呼吸系統(tǒng)疾病住院的濃度-反應(yīng)關(guān)系研究[J].環(huán)境與健康雜志，2015，32（12）：1042-1049.

[14] Li N，Sioutas C，Cho A，et al. Ultrafine particulate pollutants induce oxidative stress and mitochondrial damage [J]. Environ Health Perspect，2003，111（4）：455-460.

[15] Pettigrew MM，Gent JF，Revai K，et al. Microbial interactions during upper respiratory tract infections [J]. Emerg Infect Dis，2008，14（10）：1584-1591.

[16] Herbst T，Sichelstiel A，Sch？覿r C，et al. Dysregulation of allergic airway inflammation in the absence of microbial colonization [J]. Am J Respir Crit Care Med，2011，184（2）：198-205.

[17] Blainey PC，Milla CE，Cornfield DN，et al. Quantitative ana？鄄lysis of the human airway microbial ecology reveals a pervasive signature for cystic fibrosis [J]. Sci Transl Med，2012，4（153）：153ra130.

[18] 劉龍成，賀洪，范曉星，等.PM2.5影響有氧適能的研究綜述[J].當(dāng)代體育科技，2015，5（33）：243.

[19] 鄭露露.基于組學(xué)數(shù)據(jù)挖掘的微生物檢測、基因組注釋及與宿主相互作用的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2014.

[20] 肖純凌，韓秀珍，席淑華，等.大氣污染對兒童上呼吸道微生態(tài)影響的分析[J].中國公共衛(wèi)生，2002，18（12）：1457-1458.

[21] Couzin-Frankel J. Bacteria and asthma：untangling the links [J]. Science，2010，330（6008）：1168-1169.

[22] Magnus MC，H？覽berg SE，Stigum H，et al. Delivery by cesarean section and early childhood respiratory symptoms and disorders：the Norwegian mother and child cohort study [J]. Am J Epidemiol，2011，174（11）：1275-1285.

[23] HEI Collaborative Working Group on Air Pollution，Poverty，Health in Ho Chi Minh City，Le TG，Ngo L，et al. Effects of short-term exposure to air pollution on hospital admissions of young children for acute lower respiratory infections in Ho Chi Minh City，Vietnam [J]. Res Rep Health Eff Inst，2012（169）：5-83

[24] Samoli E，Nastos PT，Paliatsos AG，et al. Acute effects of air pollution on pediatric asthma exacerbation： evidence of association and effect modification [J]. Environ Res，2011，111（3）：418-424.

[25] Guillam MT，Pédrono G，Le Bouquin S，et al. Chronic respiratory symptoms of poultry farmers and model-based estimates of long-term dust exposure [J]. Ann Agric Environ Med，2013，20（2）：307-311.

[26] 吳建軍，劉宇堅，吳家剛，等.室內(nèi)環(huán)境與學(xué)齡兒童呼吸系統(tǒng)健康的關(guān)聯(lián)性研究[J].廣州醫(yī)學(xué)院學(xué)報，2012，40（3）：14-17.

[27] 周蘭島，解繼勝，董光輝，等.百色市室內(nèi)環(huán)境污染對兒童哮喘及哮喘樣癥狀影響的流行病學(xué)調(diào)查[J].中國衛(wèi)生統(tǒng)計，2013，30（3）：354-356.

[28] Wunderink RG，Waterer G. Advances in the causes and management of community acquired pneumonia in adults [J]. BMJ，2017.DOI：10.1136/bmj.j2471.

[29] Kan H，Wong CM，Vichit-Vadakan N，et al. Short-term association between sulfur dioxide and daily mortality： the Public Health and Air Pollution in Asia（PAPA）study [J]. Environ Res，2010，110（3）：258-264.

[30] 李航，郭偉麗，安珍，等.PM2.5對慢性阻塞性肺疾病影響研究進展[J].新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院學(xué)報，2016，33（3）：234-238.

[31] 李盛，王金玉，王宇紅，等.大氣污染對蘭州市城關(guān)區(qū)小學(xué)生肺通氣功能的影響[J].環(huán)境與健康雜志，2015，32（6）：498-500.

[32] Ling SH，van Eeden SF. Particulate matter air pollution exposure：role in the development and exacerbation of chronic obstructive pulmonary disease [J]. Int J Chron Obstruct Pulmon Dis，2009，4：233-243.

[33] 中華醫(yī)學(xué)會兒科學(xué)分會呼吸學(xué)組.反復(fù)呼吸道感染的臨床概念和處理原則[J].中華兒科雜志，2008，46（2）：108-110.

[34] Dickson RP，Erb-downward JR，Martinez FJ，et al. The mic？鄄robiome and the respiratory tract [J]. Annu Rev Physiol，2016，78（1）：481-504.

[35] Gollwitzer ES，Marsland BJ. Microbiota abnormalities in inflammatory airway diseases-Potential for therapy [J]. Pharmacol Ther，2014，141（1）：32-39.

[36] 徐春肖，馬萍，胡晉婷，等.中藥呼吸道微生態(tài)制劑發(fā)展現(xiàn)狀[J].光明中醫(yī)，2016，31（24）：3675-3677.

[37] Chen YS，Jan RL，Lin YL，et al. Randomized placebo-con？鄄trolled trial of lactobacillus on asthmatic children with allergic rhinitis [J]. Pediatr Pulmonol，2010，45（11）：1111-1120.

[38] Nembrini C，Sichelstiel A，Kisielow J，et al. Bacterial-induced protection against allergic inflammation through a multicomponent immunoregulatory mechanism [J]. Thorax，2011，66（9）：755-763.

[39] 肖純凌.大氣污染與呼吸道微生態(tài)[M].北京：高等教育出版社，2012.

（收稿日期：2017-12-15 本文編輯：李岳澤）