沙塵暴顆粒物致心臟毒性的炎癥機(jī)制研究

雷林峰 聶芳菲 李星輝 王楠

【摘要】流行病學(xué)和實(shí)驗(yàn)研究已明確沙塵暴顆粒物為心血管疾病發(fā)生和發(fā)展的新危險(xiǎn)因素，其獨(dú)立于已知的危險(xiǎn)因素，如吸煙、高血壓、高脂血癥和糖尿病等。沙塵暴顆粒物進(jìn)入人體首先在肺部激發(fā)氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)，隨后炎癥因子進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，引起心臟毒性損傷，最終導(dǎo)致心血管系統(tǒng)疾病的發(fā)生。本文就沙塵暴顆粒物致心臟毒性的炎癥機(jī)制進(jìn)行闡述。

【關(guān)鍵詞】沙塵暴；顆粒物；心臟毒性；炎癥反應(yīng)

【中圖分類號(hào)】R541 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】ISSN.2095-6681.2018.26..02

沙塵暴是由于強(qiáng)風(fēng)將地面塵沙吹起使空氣很混濁，水平能見度常小于1km的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。沙塵暴中的顆粒物（particulate matter，PM）由于風(fēng)的影響

形成傳播速度快，影響范圍廣的特點(diǎn)。當(dāng)人們暴露于沙塵暴天氣中時(shí)，含有各種

有毒化學(xué)物質(zhì)、病菌等的塵土可透過(guò)層層防護(hù)進(jìn)入到人體。若這些含有大量有害

物質(zhì)的塵土得不到及時(shí)清理，將侵入機(jī)體并造成相應(yīng)損害，從而引發(fā)各種疾病[1]。以往的研究主要集中于沙塵暴顆粒物對(duì)呼吸系統(tǒng)的危害，但對(duì)心血管系統(tǒng)的危害

及其機(jī)理人們了解甚少。沙塵暴中對(duì)機(jī)體危害最大的是PM。PM按其空氣動(dòng)力學(xué)直徑分為粗顆粒物PM10（≤10 um）、細(xì)顆粒物PM2.5（≤2.5 um）、超細(xì)顆粒物UFP（≤0.1 um）[2]。PM2.5和UFP除沉積在肺泡外，因直徑很少還可穿透血?dú)馄琳线M(jìn)入血液循環(huán)。因此，沙塵暴PM不僅與呼吸系統(tǒng)疾病有關(guān)，而且還與心血管系統(tǒng)疾病的發(fā)生和發(fā)展有關(guān)[3]。

1 沙塵暴顆粒物對(duì)心血管系統(tǒng)的影響

PM可增加心血管系統(tǒng)疾病的發(fā)病率和死亡率[4]。暴露于PM對(duì)心血管系統(tǒng)的不利影響主要通過(guò)直接和間接作用機(jī)制產(chǎn)生。這兩種機(jī)制可以進(jìn)一步分為以下三種主要途徑：PM直接進(jìn)入血管、PM沉積在肺泡（間接）、自主神經(jīng)系統(tǒng)的功能失調(diào)（間接）[3]。因PM2.5和UFP微粒直徑很小，可直接進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)心血管

系統(tǒng)疾病產(chǎn)生直接影響。董鳳鳴等[5]對(duì)2007～2008年北京市海淀區(qū)居民PM暴露情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)短期暴露于PM可升高暴露人群循環(huán)系統(tǒng)疾病的死亡率，

其中PM2.5、PM10每升高10 ug/m3，所關(guān)聯(lián)的循環(huán)系統(tǒng)死亡的超額危險(xiǎn)度分別為0.78%、0.36%，且在溫暖季節(jié)（4月～9月）時(shí)PM對(duì)循環(huán)系統(tǒng)疾病死亡率的影響要大于寒冷季節(jié)（10月～3月），兩季節(jié)循環(huán)系統(tǒng)疾病死亡率相比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。急性暴露于PM2.5可能會(huì)增加心血管系統(tǒng)疾?。ㄈ毖孕呐K病、心律失常和心力衰竭）醫(yī)院急救室就診的風(fēng)險(xiǎn)[6]。短期暴露于PM2.5可誘發(fā)與心血管系統(tǒng)疾病相關(guān)的死亡（如心肌缺血和梗死、心力衰竭、猝死），成為心血管系統(tǒng)疾病的確定危險(xiǎn)因素之一[7]。且PM2.5暴露濃度每升高10 ug/m3，急性缺血性冠狀動(dòng)脈事件（不穩(wěn)定型心絞痛和心肌梗死）的風(fēng)險(xiǎn)增加4.5%[8]。累積PM2.5暴露對(duì)于鋁冶煉廠工人和制造工人發(fā)生缺血性心臟病的風(fēng)險(xiǎn)更高[9]。Hoek等[10]對(duì)多地區(qū)成年人長(zhǎng)期暴露于PM2.5進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期暴露于PM2.5的人群，其心血管系統(tǒng)疾病的死亡率為11%，而非惡性呼吸系統(tǒng)疾病的死亡率為3%，表明PM2.5對(duì)心血管系統(tǒng)疾病死亡率的影響要大于對(duì)非惡性呼吸系統(tǒng)疾病死亡率的影響。

2 沙塵暴顆粒物致心臟炎性損傷

PM的炎性效應(yīng)強(qiáng)弱與其化學(xué)成分、粒徑大小、表面面積等關(guān)系密切。大量體內(nèi)、外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，暴露于PM可引起白介素-1（IL-1）、白介素-6（IL-6）、白介素-8（IL-8）、C反應(yīng)蛋白（CRP）、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）及巨噬細(xì)胞炎癥蛋白-2（MIP-2）升高。通過(guò)敲除小鼠還原型輔酶Ⅱ（NADPH）氧化酶基因及誘導(dǎo)型一氧化氮合酶（iNOS）基因，發(fā)現(xiàn)暴露于PM可引起小鼠血清IL-6、TNF-α、MIP-2降低，從而反向證明正常小鼠暴露于PM可引起上述指標(biāo)的升高[11]。另有研究也發(fā)現(xiàn)暴露于PM可引起上述炎性因子的升高，暴露于PM的BALB/c小鼠通過(guò)誘導(dǎo)CXC趨化因子表達(dá)，增加小鼠血清MIP-2量[12]。體外實(shí)驗(yàn)已證實(shí)暴露于PM可引起IL-6、IL-8、MIP-2水平升高[13-14]。

在理化性質(zhì)相似的情況下，PM引起的炎癥反應(yīng)與其粒徑大小、暴露濃度、暴露時(shí)間有一定的關(guān)系。與暴露于PM2.5相比，暴露于粗顆粒物（PMc）環(huán)境能引起體內(nèi)IL-1β、TNF-α的量明顯增加[15]。除此之外，也有研究表明長(zhǎng)期暴露于PMc的人群，其血清IL-6、CRP量有所升高[16]。在大鼠氣管內(nèi)滴注PM2.5，24和72小時(shí)后發(fā)現(xiàn)TNF-αmRNA、MIP-2mRNA有所升高，且TNF-α蛋白、MIP-2蛋白也相應(yīng)升高[17]。

PM引起炎癥反應(yīng)可呈劑量-效應(yīng)關(guān)系，即隨著PM暴露劑量升高，炎癥反應(yīng)效應(yīng)逐漸增強(qiáng)。研究表明暴露于PM2.5的小鼠，其血清IL-1、IL-6、TNF-α量都呈劑量依賴性增高[18]，且2周后IL-6的升高量與PM2.5暴露的劑量呈正相關(guān)關(guān)系[19]。在大鼠實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果，暴露于PM2.5的wistar大鼠，24小時(shí)后可見IL-6、CRP明顯升高，且高劑量組大鼠升高的量要大于低劑量組大鼠[20]。在經(jīng)氣管滴注PM10的wistar大鼠中發(fā)現(xiàn)其血清IL-6、TNF-α升高，且隨PM10劑量的增加IL-6量逐漸升高[21]。人類SZ95皮脂細(xì)胞體外實(shí)驗(yàn)也證實(shí)暴露于PM2.5，48小時(shí)后IL-1α、IL-6、IL-8呈劑量依賴性升高[22]。

PM引起炎癥反應(yīng)可呈時(shí)間-效應(yīng)關(guān)系，即隨著PM暴露時(shí)間延長(zhǎng)，炎性反應(yīng)效應(yīng)逐漸增強(qiáng)。而且暴露于PM還可引起心肌細(xì)胞發(fā)生異常改變。研究發(fā)現(xiàn)暴露于PM的雄性BALB/c小鼠，MIP-2逐漸升高，3小時(shí)升高致最大值，且炎癥反應(yīng)在暴露后24小時(shí)最強(qiáng)[23]。將小鼠連續(xù)5天進(jìn)行氣管內(nèi)滴注PM2.5，發(fā)現(xiàn)小鼠心肌細(xì)胞肥大及炎性細(xì)胞浸潤(rùn)[24]，且滴注24小時(shí)后發(fā)現(xiàn)心臟組織切片有炎性細(xì)胞浸潤(rùn)[25]。除此之外，大鼠經(jīng)氣管內(nèi)滴注PM，24小時(shí)后心臟組織切片可觀察到心肌細(xì)胞線粒體腫脹、嵴紊亂、分解和消失的現(xiàn)象[26]。由此可見，可吸入顆粒物一次性氣管滴注染毒后可造成心肌細(xì)胞肥大及炎性細(xì)胞浸潤(rùn)，對(duì)心肌細(xì)胞產(chǎn)生一定的毒性效應(yīng)。

3 總結(jié)與展望

綜上所述，暴露于沙塵暴PM可引起IL-1、IL-6、IL-8、CRP、TNF-α、MIP-2升高，也可引起心肌細(xì)胞肥大及炎性細(xì)胞浸潤(rùn)。且沙塵暴PM所致炎性效應(yīng)不僅具有劑量-效應(yīng)關(guān)系，而且具有時(shí)間-效應(yīng)關(guān)系。但目前國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)對(duì)于后者關(guān)系的研究較少。因此，以后的研究不僅要注重沙塵暴PM暴露濃度的影響，更要重視其暴露時(shí)間的影響。隨著工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境的破壞及其惡化日益嚴(yán)重，沙塵暴PM對(duì)人體的危害也愈加明顯，現(xiàn)在已引起越來(lái)越多的人關(guān)注。以后的研究應(yīng)從沙塵暴PM的暴露濃度、暴露時(shí)間入手，研究某一地區(qū)沙塵暴PM引起心血管系統(tǒng)毒理學(xué)效應(yīng)的暴露時(shí)間及濃度，不僅有助于評(píng)價(jià)該地區(qū)沙塵暴PM污染嚴(yán)重程度，而且有助于為當(dāng)?shù)卣贫ǔ鲚^為合適的對(duì)人體健康有損害的沙塵暴PM暴露濃度及時(shí)間閾值。有利于人類對(duì)沙塵暴PM致心臟炎性損傷的認(rèn)識(shí)及對(duì)自我健康的保護(hù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 石廣玉，趙思雄.沙塵暴研究中的若干科學(xué)問(wèn)題[J].大氣科學(xué)，2003（04）：591-606.

[2] 趙英政，徐光翠，吳衛(wèi)東.大氣顆粒污染物對(duì)心血管系統(tǒng)的毒性作用及機(jī)制[J].新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，32（02）：96-100.

[3] Nelin T D， Joseph A M， Gorr M W， et al. Direct and indirect effects of particulate matter on the cardiovascular system.[J]. Toxicology Letters， 2012， 208（3）：293-299.

[4] Bai N， Khazaei M， Eeden S F V， et al. The pharmacology of particulate matter air pollution-induced cardiovascular dysfunction[J]. Pharmacology & Therapeutics， 2007， 113（1）：16.

[5] 董鳳鳴，莫運(yùn)政，李國(guó)星，等.大氣顆粒物（PM10/PM2.5）與人群循環(huán)系統(tǒng)疾病死亡系的病例交叉研究[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)（醫(yī)學(xué)版）醫(yī)學(xué)版，2013，45（3）：398-404.

[6] Xu Q，Wang S，Guo Y，et al.Acute exposure to fine particulate matter and cardiovascular hospital emergency room visits in Beijing，China[J].Environmental Pollution，2016，220（Pt A）：317.

[7] Brook R D，Rajagopalan S，Rd P C，et al.Particulate matter air pollution and cardiovascular disease：An update to the scientific statement from the American Heart Association[J].Circulation，2010，121（21）：2331-2378.

[8] 3Rd P C，Muhlestein J B，May H T，et al.Ischemic heart disease events triggered by short-term exposure to fine particulate air pollution[J].Circulation，2006，114（23）：2443-2448.

[9] Brown D M，Petersen M，Costello S，et al.Occupational Exposure to PM2.5 and Incidence of Ischemic Heart Disease：Longitudinal Targeted Minimum Loss-based Estimation[J].Epidemiology，2015， 26（6）：806.

[10] Hoek G，Krishnan R M，Beelen R，et al.Long-term air pollution exposure and cardio- respiratory mortality：a review[J]. Environ Health，2013，12（1）：43.

[11] Becher R， Bucht A， ?vrevik J， et al. Involvement of NADPH oxidase and iNOS in rodent pulmonary cytokine responses to urban air and mineral particles[J]. Inhalation Toxicology， 2007， 19（8）：645-655.

[12] Kim J， Natarajan S， Vaickus L J， et al. Diesel exhaust particulates exacerbate asthma-like inflammation by increasing CXC chemokines[J]. American Journal of Pathology， 2011， 179（6）：2730-9.

[13] Bhavaraju L， Shannahan J， William A， et al. Diesel and biodiesel exhaust particle effects on rat alveolar macrophages with in vitro exposure[J]. Chemosphere， 2014， 104（4）：126.

[14] Gorr M W， Youtz D J， Eichenseer C M， et al. In vitro particulate matter exposure causes direct and lung-mediated indirect effects on cardiomyocyte function.[J]. American Journal of Physiology Heart & Circulatory Physiology， 2015， 309（1）：H53.

[15] Ferguson M D， Migliaccio C， Ward T. Comparison of how ambient PMc and PM2.5 influence the inflammatory potential[J]. Inhalation Toxicology， 2013， 25（14）：766.

[16] Adar S D， DSouza J， Mendelsohnvictor K， et al. Markers of Inflammation and Coagulation after Long-Term Exposure to Coarse Particulate Matter： A Cross-Sectional Analysis from the Multi-Ethnic Study of Atherosclerosis[J]. Environmental Health Perspectives， 2015， 123（6）：541.

[17] Snow S J， De V A， Osorniovargas A， et al. The effect of composition， size， and solubility on acute pulmonary injury in rats following exposure to Mexico city ambient particulate matter samples.[J]. Journal of Toxicology & Environmental Health Part A， 2014， 77（19）：1164.

[18] Park E J， Roh J， Kim Y， et al. PM 2.5 collected in a residential area induced Th1-type inflammatory responses with oxidative stress in mice[J]. Environmental Research， 2011， 111（3）：348-355.

[19] Chuang H C， Ho K F， Cao J J， et al. Effects of non-protein-type amino acids of fine particulate matter on E-cadherin and inflammatory responses in mice[J]. Toxicology Letters， 2015， 237（3）：174.

[20] 王艷盼.PM2.5對(duì)大鼠心血管系統(tǒng)的急性炎癥反應(yīng)和凝血因子的影響[D].河北醫(yī)科大學(xué)，2012.

[21] 呂鵬，董兆舉.一次性氣管滴注PM（10）所致大鼠肺臟和心臟的炎癥反應(yīng)[J].現(xiàn)代預(yù)防醫(yī)學(xué)，2012，39（6）：1481-1484.

[22] Liu Q， Wu J， Song J， et al. Particulate matter 2.5 regulates lipid synthesis and inflammatory cytokine production in human SZ95 sebocytes[J]. International Journal of Molecular Medicine， 2017， 40（4）.

[23] Wegesser T C， Last J A. Lung response to coarse PM： bioassay in mice[J]. Toxicology & Applied Pharmacology， 2008， 230（2）：159-66.

[24] Jin Y， Wu Z， Wang N， et al. Association of EGF Receptor and NLRs signaling with Cardiac Inflammation and Fibrosis in Mice Exposed to Fine Particulate Matter[J]. Journal of Biochemical & Molecular Toxicology， 2016， 30（9）：429.

[25] Orona N S， Ferraro S A， Astort F， et al. Acute exposure to Buenos Aires air particles （UAP-BA） induces local and systemic inflammatory response in middle-aged mice： A time course study[J]. Environmental Pollution， 2016， 208（Pt A）：261.

[26] 寇曉晶.PM2.5暴露對(duì)大鼠心臟線粒體損傷效應(yīng)及分子機(jī)制研究[D].山西大學(xué)，2015.

本文編輯：李 星