大氣PM2.5及高脂飲食對(duì)哮喘發(fā)病影響的研究進(jìn)展

李志鵬, 韓 冰, 李志剛, 趙 峰, 魏永杰*

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院， 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100012 2.保定市第二中心醫(yī)院， 河北 保定 072750

哮喘是一種慢性疾病，不具備傳染性，但在世界范圍內(nèi)卻有很高的患病率，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高，哮喘的患病率也在逐年升高[1]. 喘息是哮喘患者最常見的癥狀，但引起哮喘癥狀的機(jī)制卻十分復(fù)雜. 現(xiàn)有研究將哮喘分為嗜酸性粒細(xì)胞型哮喘、非嗜酸性粒細(xì)胞型哮喘和混合粒細(xì)胞型哮喘[2]. 嗜酸性粒細(xì)胞性哮喘存在更為廣泛，該研究所指哮喘主要為嗜酸性粒細(xì)胞型哮喘. 至2019年，全球共有3億哮喘患者[3]. 不同國家哮喘患病率差別較大，發(fā)展中國家人群哮喘患病率多在2%以下，而發(fā)達(dá)國家普遍偏高，澳大利亞地區(qū)哮喘患病率最高,達(dá)22%[4]. 一項(xiàng)對(duì)兒童哮喘的研究[5]指出，兒童哮喘患病率在不同國家差別較大，6～7歲兒童哮喘患病率最低為2.8%(印度尼西亞)，最高為37.6%(哥斯達(dá)黎加)；13～14歲兒童哮喘患病率最低為3.4%(阿爾巴尼亞)，最高為31.2%(英國馬恩島). 并且哮喘的流行病學(xué)數(shù)據(jù)有可能被低估，上述數(shù)據(jù)僅為已被醫(yī)院確診為哮喘的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，而具有喘息癥狀的人群要更多. 我國哮喘發(fā)病率在世界各國中處于較低水平，但是近年來發(fā)病率逐年上升. 有研究[6]對(duì)我國16座城市8～12歲兒童近20年哮喘患病率進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)相比1990年，2010年哮喘患病率上升了147%. 2019年對(duì)我國哮喘的統(tǒng)計(jì)結(jié)果[7]顯示，20歲及以上成人哮喘患病率為4.2%，患病人數(shù)達(dá) 4 570×104人.

通過對(duì)哮喘發(fā)病的危險(xiǎn)因素分析可知，環(huán)境因素、哮喘家族史及過敏性鼻炎等都是導(dǎo)致哮喘發(fā)病的主要原因，其中環(huán)境因素發(fā)揮了最主要的作用[8]. 我國當(dāng)前最嚴(yán)重的大氣環(huán)境問題是大氣顆粒物污染，其也是影響哮喘的最重要的因素之一. 研究[9]發(fā)現(xiàn)，大氣顆粒物暴露會(huì)導(dǎo)致哮喘發(fā)病和癥狀惡化，顆粒物濃度與呼吸系統(tǒng)疾病呈正相關(guān). 隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，高脂飲食在我國越來越普遍. 高脂飲食會(huì)造成全身代謝性疾病、肥胖，更易引起呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)疾病的發(fā)生[10-11]. 因此，高脂飲食攝入與大氣中PM2.5暴露的聯(lián)合作用可能是導(dǎo)致哮喘癥狀加重和發(fā)病率增加的重要因素. 然而，目前已有研究中PM2.5暴露對(duì)肥胖群體哮喘患病影響的研究較少. 研究PM2.5暴露和高脂飲食對(duì)健康的影響，深入探討二者聯(lián)合作用與哮喘疾病癥狀的關(guān)聯(lián)性，并研究哮喘的發(fā)病機(jī)制，以期為更好地理解和干預(yù)哮喘發(fā)病提供新的思路.

1 PM2.5對(duì)哮喘的影響

隨著我國工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加快，大氣污染程度也顯著增加，2018年生態(tài)環(huán)境部發(fā)布數(shù)據(jù)顯示，全國338個(gè)地級(jí)及以上城市中僅有121個(gè)城市環(huán)境空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)，占全部城市數(shù)的35.8%；217個(gè)城市環(huán)境空氣質(zhì)量超標(biāo)，占全部城市數(shù)的64.2%，全國PM2.5全年超標(biāo)天數(shù)比例為9.4%[12]. 與往年相比，環(huán)境空氣質(zhì)量有所改善，但PM2.5污染形勢仍舊嚴(yán)峻. 呼吸系統(tǒng)是機(jī)體與外環(huán)境直接連通的器官. 大氣中的有害污染物首先影響呼吸系統(tǒng)，導(dǎo)致包括哮喘在內(nèi)的多種呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生. PM2.5暴露會(huì)促進(jìn)炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致免疫功能障礙，增加呼吸系統(tǒng)疾病和心血管疾病的發(fā)病率和死亡率[13-16]. 研究[17]表明，顆粒物暴露與哮喘住院率呈正相關(guān)，且PM2.5對(duì)健康的影響遠(yuǎn)大于PM10. 當(dāng)ρ(PM2.5)大于38.98 μgm3時(shí)，非吸煙人群患COPD (chronic obstructive pulmonary disease，慢性阻塞性肺病)的風(fēng)險(xiǎn)顯著增加[18]. 因此，研究PM2.5對(duì)人群的影響對(duì)于保護(hù)人群健康，預(yù)防疾病具有重要的意義.

PM2.5由于具有復(fù)雜的化學(xué)組分，其暴露對(duì)健康的影響非常復(fù)雜，涉及到多種組織和器官. 大量研究[19-21]表明，PM2.5暴露會(huì)引發(fā)或加劇炎癥反應(yīng). 吸入的PM2.5會(huì)沉積在呼吸道并不斷積累，損傷免疫細(xì)胞，包括巨噬細(xì)胞、上皮細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞和淋巴細(xì)胞等[19]. 肺泡巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞是主要的APC (antigen-presenting cells，抗原呈遞細(xì)胞)，同時(shí)巨噬細(xì)胞還作為第一道防線參與先天免疫[20]. PM2.5被APC呈遞給T淋巴細(xì)胞，引起特異性免疫機(jī)制，引發(fā)Th2 (T helper lymphocytes type 2，2型T輔助淋巴細(xì)胞)炎癥反應(yīng)[20]. 巨噬細(xì)胞具有兩種類型，分別是M1 (1型巨噬細(xì)胞)和M2 (2型巨噬細(xì)胞). M1和M2的平衡在炎癥產(chǎn)生和發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用[21]. PM2.5暴露會(huì)使巨噬細(xì)胞炎性M1極化增強(qiáng)，并且抑制抗炎性M2極化[21].

在嗜酸性粒細(xì)胞型哮喘中，Th2細(xì)胞被激活，機(jī)體內(nèi)多種促炎癥細(xì)胞因子〔如IL (Interleukin，白介素) 等〕表達(dá)水平發(fā)生變化，IL在機(jī)體內(nèi)存在多個(gè)亞型，包括IL-1β、IL-2、IL-4、IL-5、IL-6、IL-13、IL-18等[22]. Th1 (T helper lymphocytes type 1，1型T輔助淋巴細(xì)胞)細(xì)胞被抑制，機(jī)體內(nèi)γ干擾素表達(dá)水平下調(diào)，加重哮喘炎癥[22]. 而通過動(dòng)物試驗(yàn)研究表明，PM2.5暴露會(huì)導(dǎo)致小鼠肺泡灌洗液中γ干擾素表達(dá)下調(diào)，IL-4與IL-13的表達(dá)和嗜酸性粒細(xì)胞的數(shù)量均上調(diào)[22]，使小鼠哮喘炎癥惡化；同時(shí)，鋅指蛋白3與T盒轉(zhuǎn)錄因子是控制T淋巴細(xì)胞分化的關(guān)鍵因子，是哮喘的免疫學(xué)基礎(chǔ)，哮喘會(huì)激活鋅指蛋白3，并抑制T盒轉(zhuǎn)錄因子[23]. PM2.5暴露使過敏性哮喘大鼠的體內(nèi)鋅指蛋白3表達(dá)上調(diào)，T盒轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)下調(diào)[22-23]，使哮喘癥狀進(jìn)一步惡化.

PM2.5還會(huì)涉及到TLRs (TOLL-Like receptor protein，TOLL樣受體)并導(dǎo)致哮喘炎癥反應(yīng)[24]. TLRs是連接先天免疫和獲得性免疫的橋梁,在機(jī)體中存在多種亞型，包括TLR4和TLR2. TLR信號(hào)通過MyD88 (myeloid differentiation factor 88, 髓樣分化因子88)的募集而傳遞. 研究[25]發(fā)現(xiàn)，TLR4和TLR2都參與了對(duì)PM2.5的識(shí)別，特別是TLR4起到了重要作用. PM2.5會(huì)通過激活MyD88TLRs信號(hào)通路致使鼠肺臟的過敏性炎癥惡化[26]，并調(diào)控炎癥因子IL-1β、IL-5和IL-13在體內(nèi)的濃度水平以及嗜酸性粒細(xì)胞趨化因子和單核細(xì)胞趨化蛋白在體內(nèi)的水平，這都會(huì)使哮喘的癥狀加重. 在高濃度PM2.5暴露下，外周血單核細(xì)胞中TLR4的表達(dá)增加，TLR4的激活增強(qiáng)了Th2淋巴細(xì)胞的響應(yīng)，從而加重哮喘癥狀或引起哮喘發(fā)病. 此外，通過敲除TLR4和內(nèi)毒素中和劑多粘菌素B能抑制PM2.5引起的炎癥反應(yīng)[19]. 因此，TLRs介導(dǎo)的MyD88信號(hào)通路在哮喘炎癥的發(fā)生與發(fā)展中發(fā)揮了重要作用[21]. 研究[27]發(fā)現(xiàn)，復(fù)方精油可通過抑制MyD88信號(hào)通路發(fā)揮保護(hù)作用，緩解PM2.5暴露所引發(fā)的哮喘癥狀.

2 高脂飲食的危害

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平不斷提升，居民飲食結(jié)構(gòu)也在隨之改變，特別是以高脂飲食為主的西方飲食結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛進(jìn)入家庭，這在經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快的城市表現(xiàn)尤為突出，由此導(dǎo)致超重或肥胖的發(fā)病率迅速上升[28]. 流行病學(xué)研究中將6種疾病(高血壓、超重、肥胖、糖尿病、高血脂、高尿酸)的患病率按照年齡分層后發(fā)現(xiàn)，6種慢性病患病率均呈上升趨勢，其中高血脂上升最為明顯，2014年相較2019年上升了26.35%[29]. 另一項(xiàng)對(duì)北京市居民肥胖流行現(xiàn)狀的研究[28]指出，北京市18～65歲成年居民平均超重、肥胖率分別為37.40%與19.84%，高于全國平均水平的32.4%與14.1%；并且城郊人群相比于市區(qū)人群更易發(fā)胖，可能與生活條件改善、飲食結(jié)構(gòu)發(fā)生大幅改變相關(guān)[28]. 2015年國務(wù)院發(fā)布的《中國居民營養(yǎng)與慢性病狀況報(bào)告(2015)》指出，人群攝入能量的來源中脂肪的供能比在增加，微量元素?cái)z入量下降，超重率和肥胖率相比于2002年分別上升了7.3和4.8百分點(diǎn)，慢性呼吸系統(tǒng)疾病患病率在升高[30].

2.1 肥胖對(duì)健康的影響

高脂飲食會(huì)對(duì)人體健康造成極大損傷，導(dǎo)致全身性炎癥反應(yīng)，其中包括哮喘和炎癥. 通過流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)肥胖人群患哮喘風(fēng)險(xiǎn)更高[31]，且肥胖人群會(huì)表現(xiàn)出更復(fù)雜的哮喘癥狀，伴隨著更頻繁和更劇烈的惡化[32]. 典型的Th2細(xì)胞相關(guān)的哮喘炎癥會(huì)由于肥胖而變得復(fù)雜. 如肥胖會(huì)導(dǎo)致嗜酸性粒細(xì)胞進(jìn)入氣道的轉(zhuǎn)運(yùn)方式發(fā)生改變，從而使嗜酸性粒細(xì)胞型哮喘炎癥在肥胖患者體內(nèi)發(fā)生改變[11]. 相比于非哮喘人群，哮喘患者的BMI (body mass index, 體質(zhì)指數(shù))要高44%～48%[33]. 并且有研究[34]發(fā)現(xiàn)，相比于正常體型的哮喘患者，肥胖的哮喘患者痰液中的中性粒細(xì)胞更多，非肥胖哮喘患者痰液中中性粒細(xì)胞比例為37.8%±21.9%，肥胖哮喘患者痰液中中性粒細(xì)胞比例為50.8%±23.0%. 由于高脂飲食結(jié)構(gòu)在我國逐漸普遍化，了解其對(duì)健康的影響尤為重要，這是準(zhǔn)確理解經(jīng)濟(jì)和環(huán)境對(duì)人群健康影響的關(guān)鍵.

2.2 高脂飲食對(duì)哮喘的影響

動(dòng)物試驗(yàn)結(jié)果[35]表明，高脂飲食會(huì)增加肺內(nèi)固有淋巴細(xì)胞的數(shù)量，并通過IL-1β途徑誘導(dǎo)氣道高反應(yīng)和喘息癥狀. 對(duì)哮喘小鼠模型的研究[36]表明，高脂飲食會(huì)導(dǎo)致全身代謝功能障礙，引發(fā)氣道高反應(yīng)和加劇氣道的氧化應(yīng)激反應(yīng)從而使哮喘癥狀惡化. 高脂飲食會(huì)引起小鼠腸道微生物群結(jié)構(gòu)改變. 腸道微生物群在膳食纖維的發(fā)酵和短鏈脂肪酸的生成中發(fā)揮了關(guān)鍵作用[37-38]. 高脂類食物通常脂肪含量高，可溶性纖維含量低. 低纖維膳食會(huì)導(dǎo)致腸道微生物群和短鏈脂肪酸發(fā)生變化，在肥胖患者的腸道和哮喘患者的肺中擬桿菌門細(xì)菌均有減少[37]，這可能與哮喘的發(fā)病相關(guān). 機(jī)體在攝入脂類并消化后,循環(huán)脂肪酸水平會(huì)升高[38]. 攝入過多的飽和脂肪酸會(huì)加重哮喘和炎癥，降低哮喘藥物(如支氣管擴(kuò)張劑)的效果[39]. 高脂飲食還會(huì)導(dǎo)致體內(nèi)丙酸鹽水平降低，低劑量丙酸鹽與過敏性哮喘相關(guān). 體內(nèi)丙酸鹽水平升高會(huì)導(dǎo)致樹突細(xì)胞對(duì)于Th2型免疫反應(yīng)的促進(jìn)能力減弱，從而減弱過敏性哮喘癥狀[40]. 綜上，高脂飲食會(huì)導(dǎo)致腸道微生物群變化，從而引起肥胖和過敏性哮喘.

體內(nèi)高水平的循環(huán)脂肪酸，尤其是飽和脂肪酸會(huì)通過多種機(jī)制來產(chǎn)生炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致哮喘的發(fā)生和發(fā)展[41]. 脂肪酸作為配體會(huì)被TLRs或NLRs (N-Like receptor protein，核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)樣受體)等受體識(shí)別，從而激活先天免疫系統(tǒng)[42]. 脂肪酸與這些受體結(jié)合會(huì)觸發(fā)促炎癥通路，如脂肪酸與NLRs結(jié)合，刺激機(jī)體釋放IL-1β，脂肪酸還會(huì)與NF-κB (nuclear factor kappa B，核因子κB)結(jié)合，激活NF-κB，釋放出多種炎癥趨化因子〔如TNF (tumor necrosis factor，腫瘤壞死因子)-α和IL-6〕[42]. 脂肪酸誘導(dǎo)的炎癥也可以通過FABP (fatty acid-binding protein，脂肪酸結(jié)合蛋白)發(fā)生[43]. FABP在細(xì)胞內(nèi)負(fù)責(zé)運(yùn)輸脂肪酸，F(xiàn)ABP2是脂肪酸結(jié)合蛋白的一種[43]. 研究[43]發(fā)現(xiàn)，嗜酸性粒細(xì)胞浸潤氣道要依賴于FABP2的活性.

研究[44-47]表明，過量的脂肪酸會(huì)誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生氧化應(yīng)激和炎癥，加重哮喘癥狀，并且會(huì)導(dǎo)致TLR2和TLR4的表達(dá)上調(diào)，NF-κB的活性增加，中性粒細(xì)胞計(jì)數(shù)量增加，TNF-α的表達(dá)上調(diào)，IL-6和CRP (C-reactive protein，C-反應(yīng)蛋白)水平升高. 另有研究[48]表明，高脂飲食會(huì)導(dǎo)致痰液中中性粒細(xì)胞計(jì)數(shù)增加，以及痰液中TLR4的mRNA轉(zhuǎn)錄水平上調(diào). 針對(duì)哮喘癥狀的常用藥——物糖皮質(zhì)類激素藥物對(duì)于高脂飲食誘導(dǎo)的炎癥效果甚微. 體內(nèi)高脂飲食會(huì)誘導(dǎo)CH13L1的表達(dá)，而其產(chǎn)物CH13L1蛋白可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生哮喘癥狀[49].

高脂飲食攝入會(huì)引起肥胖，而肥胖與哮喘密切相關(guān). 近年來我國肥胖癥的患病率越來越高，這可能是哮喘患病率升高的一個(gè)重要原因. 高脂飲食攝入后，會(huì)使機(jī)體激活多種機(jī)制，作用于Th2免疫細(xì)胞，影響哮喘炎癥；同時(shí)，高脂飲食攝入會(huì)降低傳統(tǒng)哮喘治療藥物的效果，表明高脂飲食使哮喘的機(jī)制變得復(fù)雜.

3 哮喘發(fā)病的分子生物學(xué)機(jī)制

3.1 Th1細(xì)胞機(jī)制

Th1細(xì)胞在機(jī)體中受APC調(diào)控. APC的主要作用是識(shí)別抗原并傳遞信號(hào). APC能分泌IL-18和IL-12，刺激自然殺傷細(xì)胞分泌γ干擾素[52]. 初始T細(xì)胞中存在γ干擾素受體，γ干擾素作用在受體上能激活STAT(Signal transducer and activator of transcription，轉(zhuǎn)錄活化蛋白)和T-bet(T-box expressed in T-cell, T盒轉(zhuǎn)錄因子)[52]，使初始T細(xì)胞開始向Th1細(xì)胞分化. 最終在IL-18和IL-12共同作用下，刺激Th1產(chǎn)生γ干擾素，對(duì)炎癥產(chǎn)生影響[52].

3.2 Th2細(xì)胞機(jī)制

Th2細(xì)胞是初始T細(xì)胞在IL-4等細(xì)胞因子的作用下，由鋅指蛋白3的mRNA調(diào)控分化而來. Th2細(xì)胞亞群分泌的促炎癥細(xì)胞因子在哮喘中發(fā)揮著重要作用[53]. IL-4、IL-9和IL-13影響內(nèi)皮細(xì)胞、上皮細(xì)胞和參與哮喘氣道重塑的成纖維細(xì)胞. IL-13和IL-4這兩種細(xì)胞因子也對(duì)B細(xì)胞起作用，促進(jìn)抗體類別轉(zhuǎn)換，從而在接觸過敏原后產(chǎn)生免疫球蛋白，引起哮喘[54].

3.3 Th1/Th2平衡機(jī)制

Th1/Th2失衡是哮喘發(fā)病的重要原因. Th1/Th2 細(xì)胞因子模型是由Mosmann等[55]于1986年提出. 活化的Th0 (初始T細(xì)胞)會(huì)受到多種因子調(diào)控，并能分化成Th1和Th2[55]. 鋅指蛋白3調(diào)控Th0分化成Th2，并抑制Th0向Th1方向極化，在這個(gè)過程中IL-4 也發(fā)揮著重要作用，并抑制巨噬細(xì)胞的功能. T-bet調(diào)控Th0分化成Th1，并抑制Th0向Th2方向極化[55].

正常狀態(tài)下，機(jī)體的Th1和Th2細(xì)胞處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)[55]. 當(dāng)哮喘發(fā)生時(shí)，Th1和Th2細(xì)胞的表達(dá)水平會(huì)發(fā)生變化，Th2細(xì)胞被激活，Th1細(xì)胞被抑制，Th1/Th2下調(diào). IL-4、IL-5等Th2所屬細(xì)胞因子會(huì)在氣道募集嗜酸性粒細(xì)胞，引起嗜酸性粒細(xì)胞浸潤，從而引發(fā)哮喘[56]. 因此，可通過分析Th1和Th2細(xì)胞的變化來研究哮喘的發(fā)病機(jī)制.

4 結(jié)論與展望

a) 哮喘的發(fā)病機(jī)制非常復(fù)雜. 現(xiàn)有關(guān)于哮喘影響因素的研究中，多是在單一影響因子上進(jìn)行，而對(duì)多種因素聯(lián)合作用的研究很少. 高脂飲食和顆粒物暴露均是哮喘的影響因素，并且在日常生活中二者往往同時(shí)對(duì)人群健康產(chǎn)生影響. 我國很多城市顆粒物污染較嚴(yán)重，又因?yàn)榻?jīng)濟(jì)迅速增長，居民飲食結(jié)構(gòu)短期內(nèi)變幅較大，使高脂飲食的影響更加劇烈. 因此，研究顆粒物暴露和肥胖群體哮喘發(fā)病的關(guān)系對(duì)于了解我國居民哮喘發(fā)病機(jī)制十分重要.

b) 哮喘屬于炎癥性疾病，顆粒物暴露對(duì)于哮喘所造成的影響主要與Th2炎癥因子相關(guān). PM2.5進(jìn)入呼吸系統(tǒng)后，會(huì)激活Th2細(xì)胞分泌促炎癥細(xì)胞因子，并抑制Th1細(xì)胞分泌γ干擾素，從而引發(fā)哮喘或加重哮喘癥狀；而高脂飲食攝入后也會(huì)通過Th1Th2的平衡機(jī)制影響哮喘炎癥，使哮喘癥狀發(fā)生變化. 高脂飲食攝入后會(huì)通過Th2細(xì)胞加重哮喘癥狀，降低哮喘藥物的治療效果.

c) 哮喘炎癥與MyD88TLRs信號(hào)通路密切相關(guān)，并且高脂飲食和顆粒物暴露均會(huì)導(dǎo)致MyD88TLRs的表達(dá)發(fā)生變化，因此研究MyD88TLRs信號(hào)通路是了解高脂飲食和顆粒物暴露聯(lián)合作用對(duì)哮喘影響的重要途徑. 所以，在二者聯(lián)合作用對(duì)哮喘影響的研究中應(yīng)從Th1/Th2平衡方向以及MyD88TLRs信號(hào)通路著手，通過構(gòu)建動(dòng)物模型探究高脂飲食和顆粒物暴露聯(lián)合作用時(shí)機(jī)體的Th1/Th2平衡變化.T-bet和鋅指蛋白3基因是控制Th1/Th2平衡的一對(duì)基因，通過檢測二者的表達(dá)水平可以更進(jìn)一步說明Th1/Th2 平衡的變化.