PM2.5參與哮喘發(fā)生發(fā)展的機(jī)制研究進(jìn)展

王也，田曼

(南京醫(yī)科大學(xué)附屬兒童醫(yī)院呼吸科，南京 210008)

哮喘是由多種細(xì)胞及細(xì)胞因子共同參與的異質(zhì)性疾病，以可逆性氣流受限、慢性氣道炎癥、黏液分泌及氣道重構(gòu)為主要特征，是常見的呼吸道慢性疾病之一。目前，全球約有3.34億人患有哮喘，每年約有25萬(wàn)人死于哮喘，且患病率逐年上升[1]。哮喘可導(dǎo)致患者生活質(zhì)量下降、殘疾甚至死亡，給社會(huì)發(fā)展帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)。哮喘的分布具有地區(qū)差異性，發(fā)達(dá)國(guó)家的患病率高于發(fā)展中國(guó)家，其中環(huán)境因素是導(dǎo)致哮喘的危險(xiǎn)因素之一，隨著我國(guó)工業(yè)化水平的提高、城市化進(jìn)程不斷加快、空氣污染日益嚴(yán)重，我國(guó)的哮喘患病率逐年升高，自1990年起，14歲以下兒童每10年哮喘累積患病率上升約1%[2]。研究發(fā)現(xiàn)，哮喘患病率的增加與空氣顆粒物的濃度呈正相關(guān)，且持續(xù)吸入空氣顆粒物可能加快哮喘的進(jìn)展[3]?？諝忸w粒物特別是空氣動(dòng)力學(xué)直徑≤2.5 μm的細(xì)顆粒物(particulate matter，PM)2.5是空氣污染中具有生物效應(yīng)的成分，對(duì)機(jī)體各系統(tǒng)均有損害，可通過(guò)機(jī)械性破壞、免疫炎癥等方式參與多種呼吸道疾病的發(fā)生發(fā)展。兒童的氣道發(fā)育是逐漸成熟的過(guò)程，這一階段是對(duì)PM2.5敏感性增加的窗口期，長(zhǎng)時(shí)間暴露于PM2.5會(huì)使兒童更易罹患哮喘等呼吸道疾病，但目前PM2.5參與哮喘發(fā)生發(fā)展的機(jī)制尚不完全明確，因此積極探討PM2.5與哮喘之間的關(guān)系具有重要臨床意義?，F(xiàn)就PM2.5參與哮喘的發(fā)生發(fā)展機(jī)制予以綜述。

1 哮喘和PM2.5

哮喘是復(fù)雜的基因-環(huán)境相互作用的結(jié)果，環(huán)境因素在哮喘發(fā)病機(jī)制中的作用日益凸顯，包括變應(yīng)原、病原微生物、空氣污染物等，其中PM2.5作為空氣污染的重要污染源，與哮喘的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。PM2.5直徑小、相對(duì)表面積大、活性強(qiáng)等特點(diǎn)使其在空中懸浮時(shí)間長(zhǎng)、易吸附有毒物質(zhì)且易被人體吸入氣道深部，從而危害呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)等。PM2.5可沉積于整個(gè)呼吸道，特別是小氣道和肺泡，導(dǎo)致氣道和肺泡炎癥，可能是參與哮喘發(fā)生發(fā)展的重要基礎(chǔ)[4]。PM2.5的來(lái)源及構(gòu)成十分復(fù)雜，人為源產(chǎn)生的PM2.5含有大量化石燃料燃燒后產(chǎn)生的有毒物質(zhì)，其中過(guò)渡金屬、多環(huán)芳烴和自由基是PM2.5的特殊成分，這些成分可能引起氧化應(yīng)激，進(jìn)一步引發(fā)哮喘癥狀。此外，PM2.5中可能含有花粉、塵螨等各種變應(yīng)原，導(dǎo)致哮喘加重及新發(fā)哮喘的形成。PM2.5還可與空氣中的二氧化硫、硫氧化物、一氧化碳等氣體混合產(chǎn)生氣溶膠，長(zhǎng)期漂浮于空氣中，當(dāng)大氣環(huán)境中的PM2.5超過(guò)大氣循環(huán)和承載能力時(shí)，顆粒物可持續(xù)集聚產(chǎn)生大范圍霧霾，增加人群暴露于PM2.5的機(jī)會(huì)，增加罹患哮喘等呼吸道疾病的風(fēng)險(xiǎn)。

流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5濃度與哮喘就診人數(shù)呈正相關(guān)。一項(xiàng)研究證實(shí)，短期PM2.5濃度的增加與成人哮喘就診率顯著相關(guān)，該研究采用廣義相加潑松模型對(duì)在北京各大醫(yī)院就診的9萬(wàn)余人次哮喘患者進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)PM2.5濃度每增加10 μg/m3，當(dāng)天哮喘的總就診人次即增加0.67%[5]。而重慶一項(xiàng)針對(duì)0～18歲兒童和青少年的研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5暴露與兒童和青少年哮喘發(fā)作的門診就診人次呈正相關(guān)，PM2.5濃度每增加10 μg/m3，兒童哮喘發(fā)作的門診就診人次即增加約1.6%，進(jìn)一步分層分析發(fā)現(xiàn)，PM2.5對(duì)2～5歲學(xué)齡前兒童的影響更大[6]。這些研究均提示高濃度PM2.5暴露可能是新發(fā)哮喘及哮喘急性發(fā)作的重要因素。

PM2.5可使原有哮喘惡化。Li等[7]通過(guò)對(duì)哮喘兒童長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月的隨訪發(fā)現(xiàn)，高濃度PM2.5與哮喘控制不良顯著相關(guān)，PM2.5濃度每增加一個(gè)四分位距，哮喘控制分?jǐn)?shù)即增加0.32分，同時(shí)，PM2.5暴露可使哮喘患兒的肺功能下降，加重原有的哮喘癥狀[8]。近年來(lái)，有學(xué)者提出PM2.5可能導(dǎo)致新發(fā)哮喘形成，Gehring等[9]通過(guò)出生隊(duì)列研究發(fā)現(xiàn)，早期暴露在空氣污染中可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)兒童和青少年期哮喘的發(fā)生。歐洲一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，約有14%哮喘患兒的病因可歸因于與道路交通相關(guān)的污染物[10]。一項(xiàng)對(duì)10～18歲青少年的隊(duì)列研究發(fā)現(xiàn)，高速公路交通與兒童肺功能發(fā)育缺陷有關(guān)，而高速公路附近的PM2.5濃度遠(yuǎn)高于其他地區(qū)，說(shuō)明PM2.5可能對(duì)兒童和青少年肺發(fā)育產(chǎn)生不良影響[11]。

2 PM2.5參與哮喘發(fā)生發(fā)展的機(jī)制

高濃度PM2.5暴露對(duì)呼吸道上皮細(xì)胞及神經(jīng)感受器有直接刺激作用，并通過(guò)促進(jìn)氣道炎癥效應(yīng)及氧化應(yīng)激參與哮喘的發(fā)生發(fā)展，但具體機(jī)制尚不明確。英國(guó)空氣質(zhì)量效應(yīng)醫(yī)學(xué)委員會(huì)提出，空氣污染可能導(dǎo)致哮喘發(fā)生和惡化的潛在機(jī)制包括氧化應(yīng)激和損傷、氣道重構(gòu)、炎癥反應(yīng)、增強(qiáng)氣道對(duì)過(guò)敏原的易感性，這些機(jī)制參與哮喘形成的過(guò)程中涉及多種基因參與調(diào)控，而多種基因的變異可能導(dǎo)致新發(fā)哮喘形成或加重原有的疾病狀態(tài)[12]。

2.1氧化應(yīng)激和損傷 氧化應(yīng)激是指機(jī)體受到刺激時(shí)，細(xì)胞內(nèi)活性氧類(reactive oxygen species，ROS)和活性氮等氧化產(chǎn)物產(chǎn)生過(guò)多，機(jī)體的氧化和抗氧化狀態(tài)失衡導(dǎo)致機(jī)體損傷。研究表明，內(nèi)源性ROS和氧化應(yīng)激參與哮喘的起源和調(diào)節(jié)，同時(shí)氧化應(yīng)激是哮喘嚴(yán)重程度的決定因素[13]。PM2.5作為外源性氧化劑，高濃度的暴露可引起機(jī)體產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng)。研究表明，高濃度PM2.5滴鼻可導(dǎo)致健康小鼠體內(nèi)炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激水平增加[14]。并且PM2.5對(duì)機(jī)體的不良影響可延續(xù)至成年，使成年小鼠的哮喘易感性增加[15]。體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)，PM2.5刺激后的正常氣道上皮細(xì)胞和肺泡巨噬細(xì)胞ROS產(chǎn)生增多[16-18]。此外，PM2.5還能增加哮喘患者體內(nèi)的氧化應(yīng)激水平，McCreanor等[19]發(fā)現(xiàn)，成年哮喘患者在柴油動(dòng)力車輛密集街道行走2 h后，痰中過(guò)氧化物酶水平增加，提示氧化應(yīng)激水平與吸入性顆粒物相關(guān)。

PM2.5可能通過(guò)顆粒中包含的過(guò)渡金屬和有機(jī)化合物破壞細(xì)胞內(nèi)鈣離子穩(wěn)態(tài)、改變線粒體功能、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)氧化酶或激活氧化還原敏感炎癥信號(hào)通路等多種機(jī)制，發(fā)揮氧化應(yīng)激作用，介導(dǎo)哮喘的發(fā)生發(fā)展[20]。PM2.5引起的鈉-鉀泵和鈣泵功能障礙可導(dǎo)致離子失衡和線粒體膜電位降低，引起線粒體腫脹、外膜破裂或碎裂，最終導(dǎo)致線粒體功能障礙，使ROS水平增高[21]。大量ROS通過(guò)激活促炎信號(hào)通路，如氧化還原敏感的核因子κB信號(hào)通路，增加促炎基因表達(dá)并產(chǎn)生炎癥細(xì)胞因子，參與哮喘的形成[22]。Rui等[23]發(fā)現(xiàn)，PM2.5誘導(dǎo)產(chǎn)生的ROS可作為信號(hào)分子激活胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶/蛋白激酶B/核因子κB通路，增加細(xì)胞間黏附分子-1和血管細(xì)胞黏附分子-1的表達(dá)，進(jìn)一步促進(jìn)單核細(xì)胞黏附內(nèi)皮細(xì)胞。嚴(yán)重的炎癥狀態(tài)還可進(jìn)一步增強(qiáng)氧化應(yīng)激反應(yīng)，粒細(xì)胞中的NADPH氧化酶可釋放高水平的超氧化物，加重哮喘。氣道內(nèi)過(guò)多的ROS還可導(dǎo)致氣道上皮和毛細(xì)血管內(nèi)皮屏障功能受損，使ROS進(jìn)入體循環(huán)，導(dǎo)致全身系統(tǒng)的氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)[24]。有證據(jù)表明，系統(tǒng)性炎癥在哮喘的發(fā)病機(jī)制中起重要作用[25]。此外，隨著體內(nèi)抗氧化物質(zhì)[如超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過(guò)氧化氫酶]的不斷消耗和失活，機(jī)體抗氧化防御能力降低，進(jìn)一步加劇氧化還原障礙和氣道損傷，最終導(dǎo)致哮喘患者肺部和全身炎癥[26]。SOD1在清除細(xì)胞ROS中發(fā)揮關(guān)鍵作用，是最早參與ROS清除過(guò)程的抗氧化酶。一項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PM2.5可通過(guò)轉(zhuǎn)錄微RNA(microRNA，miRNA/miR)-206抑制SOD1的表達(dá)，使ROS水平升高，加重哮喘小鼠的肺部炎癥和哮喘癥狀[27]。

2.2氣道重構(gòu) 長(zhǎng)期暴露于高濃度的PM2.5可能引起氣道上皮細(xì)胞脆性脫落、上皮細(xì)胞頂端極性喪失、杯狀細(xì)胞化生、細(xì)胞外基質(zhì)蛋白沉積，導(dǎo)致以氣道上皮細(xì)胞纖維化、平滑肌肥大增生、血管生成增加為主要特征的氣道重構(gòu)，這種病理學(xué)改變進(jìn)一步造成氣道狹窄和氣道壁增厚，是哮喘氣道高反應(yīng)性的基礎(chǔ)[28]。一項(xiàng)人體病理學(xué)證據(jù)證實(shí)長(zhǎng)期暴露于高濃度PM2.5可導(dǎo)致嚴(yán)重的氣道損傷，表現(xiàn)為氣道纖維化和平滑肌增生，并可在氣道黏膜活檢中發(fā)現(xiàn)PM2.5沉積，說(shuō)明PM2.5的氣道沉積與氣道纖維化有關(guān)[29]。Zou等[30]發(fā)現(xiàn)，PM2.5可通過(guò)高遷移率族蛋白1-晚期糖基化終末產(chǎn)物信號(hào)通路誘導(dǎo)人氣道上皮細(xì)胞中的轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1、血小板源性生長(zhǎng)因子-AB和血小板源性生長(zhǎng)因子-BB等成纖維細(xì)胞因子的表達(dá)。He等[31]通過(guò)構(gòu)建高濃度、長(zhǎng)時(shí)間(長(zhǎng)達(dá)7個(gè)月)PM2.5暴露大鼠模型發(fā)現(xiàn)，暴露組大鼠的肺組織病理切片顯示氣道炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)增加、氣道平滑肌增厚、氣道周圍膠原沉積增多、黏膜下腺體增生肥大等氣道重構(gòu)改變。而Ye等[32]研究發(fā)現(xiàn)，低濃度PM2.5可能通過(guò)音猬因子-平滑受體-核轉(zhuǎn)錄因子Gli信號(hào)通路參與氣道平滑肌遷移，促進(jìn)氣道重構(gòu)改變。PM2.5可能通過(guò)氧化應(yīng)激作用破壞氣道脂質(zhì)膜、蛋白質(zhì)和DNA結(jié)構(gòu)：①膜脂過(guò)氧化可能導(dǎo)致膜流動(dòng)性的改變，影響膜間離子梯度；②蛋白質(zhì)氧化修飾導(dǎo)致酶活性喪失、功能障礙和蛋白質(zhì)交聯(lián)；③DNA損傷可能導(dǎo)致細(xì)胞信號(hào)改變引起細(xì)胞凋亡。氧化修飾共同作用可能導(dǎo)致氣道杯狀細(xì)胞增生、氣道平滑肌肥大、上皮纖維化，最終導(dǎo)致氣道重構(gòu)[24]。

氣道上皮結(jié)構(gòu)和功能的改變是氣道重構(gòu)發(fā)生的基礎(chǔ)。氣道上皮組成的物理屏障能阻隔外源性刺激物侵入，并能通過(guò)募集和激活樹突狀細(xì)胞、2型先天性淋巴細(xì)胞等多種細(xì)胞發(fā)揮適應(yīng)性免疫調(diào)節(jié)，在環(huán)境因素介導(dǎo)的呼吸道防御機(jī)制中發(fā)揮重要作用[33]。研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5暴露可使氣道上皮細(xì)胞的緊密連接和完整性遭到破壞[34]。PM2.5也能通過(guò)轉(zhuǎn)錄上調(diào)c-Jun氨基端激酶，激活具有抑制纖毛形成作用的小脯氨酸富蛋白3表達(dá)，破壞纖毛上皮細(xì)胞，降低氣道上皮清除病原體能力[35]。PM2.5還能通過(guò)一氧化氮合酶2信號(hào)通路誘導(dǎo)細(xì)胞自噬，參與介導(dǎo)上皮細(xì)胞凋亡[36]。有研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5通過(guò)激活磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信號(hào)通路下調(diào)miR-331表達(dá)，促進(jìn)ROS生成，導(dǎo)致人氣道上皮細(xì)胞IκB激酶β表達(dá)式和持續(xù)核因子κB激活，介導(dǎo)人氣道上皮細(xì)胞氧化應(yīng)激和炎癥損傷[37]。

2.3免疫炎癥反應(yīng)異常 哮喘是以慢性氣道炎癥為特征的復(fù)雜疾病，涉及眾多細(xì)胞和細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路，PM2.5中特殊的氧自由基和多環(huán)芳烴成分可誘發(fā)輔助性T細(xì)胞(helper T cell，Th細(xì)胞)2和Th17介導(dǎo)的過(guò)敏性炎癥。短期的PM2.5暴露可致健康受試者鼻部呼氣中一氧化氮增加及分泌物中嗜酸粒細(xì)胞活化因子、白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-5、IL-8、趨化因子17等增多，提示PM2.5主要通過(guò)Th2細(xì)胞因子介導(dǎo)的免疫反應(yīng)引起受試者鼻部炎癥和過(guò)敏反應(yīng)，而以Th2細(xì)胞介導(dǎo)為主的免疫炎癥和過(guò)敏反應(yīng)是哮喘發(fā)生的基礎(chǔ)[38]。一項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)健康小鼠暴露于高濃度PM2.5后，體內(nèi)IL-4、IL-17A水平增高，γ干擾素水平降低，且小鼠的炎癥基因(Cxcl11和Tnfs4)、過(guò)敏和哮喘基因(Clca3和Prg2)的表達(dá)明顯增加[39]，Clca3基因可通過(guò)調(diào)控鈣-氯離子通道，導(dǎo)致黏液細(xì)胞增生和過(guò)度分泌。不僅如此，PM2.5還可通過(guò)Toll樣受體2/Toll樣受體4/髓樣分化因子88信號(hào)通路參與Th2細(xì)胞相關(guān)的免疫應(yīng)答，加重小鼠肺部的過(guò)敏性炎癥[40]。

PM2.5不僅可通過(guò)激活Th2介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)參與哮喘的形成，也可通過(guò)氧化應(yīng)激途徑發(fā)揮免疫炎癥效應(yīng)。通過(guò)構(gòu)建經(jīng)典哮喘細(xì)胞模型(Der p1抗原誘導(dǎo)人支氣管上皮細(xì)胞)發(fā)現(xiàn)，PM2.5可通過(guò)氧化應(yīng)激效應(yīng)增強(qiáng)人支氣管上皮細(xì)胞的先天免疫應(yīng)答[41]。有體外實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5能顯著上調(diào)人肺上皮細(xì)胞的細(xì)胞色素P(cytochrome P，CYP)450中CYP1A1/1B1的表達(dá)，而CYP在促進(jìn)氧化應(yīng)激和促炎反應(yīng)過(guò)程中發(fā)揮重要作用[42]。Yuan等[43]進(jìn)一步沉默人肺上皮細(xì)胞中的CYP1A1/1B1發(fā)現(xiàn)，經(jīng)PM2.5刺激上皮細(xì)胞的ROS生成、IL-6/IL-8分泌和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3/磷酸化信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3表達(dá)等均受到顯著抑制，提示CYP1A1/1B1通路可能參與介導(dǎo)PM2.5引起的免疫炎癥反應(yīng)。He等[44]發(fā)現(xiàn)，PM2.5中含有的金屬物質(zhì)和多環(huán)芳烴產(chǎn)生的ROS可能導(dǎo)致肺部炎癥，使卵清蛋白誘導(dǎo)的哮喘小鼠肺嗜酸粒細(xì)胞浸潤(rùn)增加。

2.4增加氣道對(duì)變應(yīng)原的易感性 哮喘患者對(duì)變應(yīng)原的易感性是過(guò)敏性哮喘發(fā)病的主要因素，而氣道易感性的改變可能與變應(yīng)原接觸機(jī)會(huì)增加、致敏性增強(qiáng)以及體內(nèi)免疫防御狀態(tài)改變有關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5作為載體將變應(yīng)原(如花粉)運(yùn)送至肺部深處，沉積到肺支氣管和肺泡組織等血流豐富的部位，同時(shí)PM2.5作為佐劑發(fā)揮貯藏作用，防止變應(yīng)原分散，使氣道與變應(yīng)原的接觸增多，增強(qiáng)哮喘易感性[45]。同時(shí)，PM2.5還可通過(guò)化學(xué)修飾增加變應(yīng)原致敏性，通過(guò)激活抗原呈遞細(xì)胞或刺激Th2細(xì)胞參與哮喘發(fā)作[46]。也有研究認(rèn)為，PM2.5可導(dǎo)致氣道重構(gòu)，破壞氣道上皮物理屏障，進(jìn)一步增加與變應(yīng)原接觸機(jī)會(huì)，削弱氣道防御功能，從而導(dǎo)致哮喘發(fā)作[47]。而氣道內(nèi)菌群的定植與氣道防御狀態(tài)相關(guān)，PM2.5在氣道引發(fā)的氧化應(yīng)激與炎癥反應(yīng)可能導(dǎo)致氣道健康菌群紊亂，從而破壞氣道的防御功能，增加哮喘形成風(fēng)險(xiǎn)[48]。一項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，PM2.5的暴露會(huì)加劇卵清蛋白誘導(dǎo)的哮喘小鼠肺組織氣道炎癥，使小鼠體內(nèi)嗜酸粒細(xì)胞水平增加[49]。Brandt等[50]研究證明，柴油顆粒暴露會(huì)促進(jìn)小鼠肺中變應(yīng)原特異性記憶T細(xì)胞數(shù)量增加和持久性，導(dǎo)致肺中特異性變應(yīng)原Th2/Th17細(xì)胞積累，增強(qiáng)變應(yīng)原二次免疫反應(yīng)，促進(jìn)哮喘的發(fā)展。

3 小 結(jié)

哮喘與PM2.5的暴露密切相關(guān)，高濃度、長(zhǎng)時(shí)間暴露于PM2.5會(huì)誘發(fā)哮喘的形成并加重哮喘嚴(yán)重程度。PM2.5可通過(guò)氧化應(yīng)激、氣道重構(gòu)、免疫炎癥反應(yīng)及增強(qiáng)氣道易感性等途徑參與哮喘形成與發(fā)展，但具體分子機(jī)制尚不完全明確，且相關(guān)的分子靶向藥物尚處于基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)階段。目前我國(guó)的空氣顆粒物污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，嚴(yán)重危害國(guó)民健康，空氣環(huán)境治理工作對(duì)哮喘的防治起重要作用。因此，積極闡明PM2.5參與哮喘發(fā)生發(fā)展的分子機(jī)制對(duì)防治PM2.5相關(guān)性哮喘具有重要臨床意義。