大氣細(xì)顆粒物長(zhǎng)期暴露對(duì)慢性阻塞性肺疾病發(fā)病機(jī)制的研究進(jìn)展

胡月穎 車春莉

作者單位：150081 黑龍江 哈爾濱，哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院呼吸內(nèi)科

慢性阻塞性肺疾病(COPD)又稱慢阻肺，是一種以持續(xù)氣流受限為特征的可以預(yù)防和治療的疾病，其氣流受限多呈進(jìn)行性發(fā)展[1]。慢阻肺主要累及肺臟，但隨疾病進(jìn)展，逐漸出現(xiàn)多種并發(fā)癥直至死亡，對(duì)人群健康的影響不容忽視。慢阻肺的危險(xiǎn)因素有很多，隨著空氣污染、汽車尾氣等的增加，大氣細(xì)顆粒物對(duì)慢阻肺的發(fā)病機(jī)制逐漸引起關(guān)注，然而目前大多數(shù)研究主要集中在吸煙對(duì)慢阻肺的影響，大氣細(xì)顆粒物對(duì)慢阻肺發(fā)病機(jī)制的影響仍模糊不清。

大氣細(xì)顆粒物(PM2.5)的流行病學(xué)

細(xì)顆?；騊M2.5是空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于2.5μm的顆粒，主要來源于工農(nóng)業(yè)混合因素，包括生物因素、交通、生物質(zhì)燃燒和混合城市因素，但預(yù)計(jì)至2030年發(fā)電廠、工業(yè)和住宅燃煤會(huì)有所增加[2]。其成分主要包含多環(huán)芳烴 (PAHs) 、金屬陽(yáng)離子以及無機(jī)陰離子，其特定組分的毒性不僅取決于顆粒物的大小和濃度，還與元素含量有關(guān)[3]。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)大氣細(xì)顆粒物中除了含有物理化學(xué)成分外，還含有細(xì)菌及其衍生物[4]。 Cao等[5]分析了北京的一項(xiàng)污染事件，發(fā)現(xiàn)PM2.5樣本中含有86.1%的細(xì)菌，13.0%的真核生物，0.8%的古細(xì)菌和0.1%的病毒，還發(fā)現(xiàn)了引起呼吸道疾病的微生物如肺炎鏈球菌、煙曲霉及人類腺病毒C。胡亞東等[6]還發(fā)現(xiàn)了通常存在于土壤和植物中，并可存在于食物中，還可引起胃腸道疾病，也與眼睛、呼吸道和傷口感染有關(guān)的蠟樣芽胞桿菌[7]。顆粒物載帶病原體的種類及多樣性還受氣象參數(shù)、空氣污染、理化轉(zhuǎn)化、地理特征等多種因素影響[4]。由于PM2.5本身特征，可吸附有害物質(zhì)，吸入到人體氣道深處，沉積在肺組織，造成肺部局部損傷。

流行病學(xué)研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)PM2.5與COPD有關(guān)。Huang等[8]采用多元Logistic回歸模型對(duì)3941名不吸煙的臺(tái)灣省成年人進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)暴露于PM2.5濃度大于38.98μg/m3臺(tái)灣省不吸煙者對(duì)COPD的易感性增加。Chen[9]等經(jīng)過一個(gè)全國(guó)性時(shí)間序列分析得出PM2.5濃度在兩天移動(dòng)平均值中每增加10μg/m3，死亡率就會(huì)顯著增加，其中COPD的死亡率增加0.38%，然而，不同地理位置之間PM2.5與慢阻肺的關(guān)系程度各不相同。而減少環(huán)境二氧化氮和細(xì)顆粒物水平可顯著減輕肺受損增長(zhǎng)的風(fēng)險(xiǎn)[10]。

大氣細(xì)顆粒物(PM2.5)對(duì)慢性阻塞性肺疾病(COPD)的發(fā)病機(jī)制

目前認(rèn)為PM2.5對(duì)COPD發(fā)病機(jī)制的研究主要為炎癥反應(yīng)、免疫失衡、氧化應(yīng)激及表觀遺傳等。上述發(fā)病機(jī)制會(huì)引起COPD特征性的病理生理變化即持續(xù)性的氣流受限致肺通氣功能障礙，引起上述病理生理改變的兩種重要病變?yōu)樾獾啦∽兒头螝饽[病變。其中小氣道病變包括小氣道炎癥、小氣道纖維組織增生、小氣道管腔粘液栓等使小氣道阻力明顯升高，肺氣腫病變則包括小氣道塌陷及肺泡彈性回縮力明顯降低[1]。

一、炎癥反應(yīng)

Toll 樣受體4(TLR4)，TLR家族成員之一，是COPD炎癥過程的重要組成部分之一。核因子-κB(NF-κB)對(duì)于氣道中炎性細(xì)胞因子的表達(dá)具有重要的調(diào)節(jié)作用，可增加炎癥介質(zhì)如IL-6、IL-8等的表達(dá)和釋放，促進(jìn)氣道慢性炎癥和COPD 的發(fā)展[14]。TLR4/NF-κB激活是炎癥反應(yīng)中的經(jīng)典途徑之一。研究發(fā)現(xiàn)PM2.5可激活TLR4表達(dá)和NF-κB信號(hào)通路，以觸發(fā)炎癥細(xì)胞因子環(huán)氧化酶-2的釋放，誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞活化。最終，PM2.5暴露誘導(dǎo)了活化巨噬細(xì)胞的炎癥反應(yīng)。同時(shí)，促炎細(xì)胞因子如IL-6和趨化因子被釋放以誘導(dǎo)炎癥[15]。因此長(zhǎng)期PM2.5暴露可能會(huì)刺激肺泡上皮細(xì)胞或使巨噬細(xì)胞活化，釋放炎癥因子，使COPD的慢性炎癥延續(xù)下去。

二、免疫失衡

Notch受體是一種單一的跨膜受體蛋白。Notch可通過細(xì)胞間相互作用，和配體結(jié)合等激活Hes1和Hey家族的下游靶基因，共同參與T細(xì)胞的激活、增殖和分化[16]。Gu等[17]研究發(fā)現(xiàn)COPD小鼠存在Th1和Th17介導(dǎo)的免疫紊亂，即Th1/Th2和Th17/Treg比值增加，使Notch信號(hào)通路處于過度激活狀態(tài)，PM2.5可促進(jìn)Notch信號(hào)通路的過度激活，加重慢性阻塞性肺疾病的免疫障礙。Liu等[18]研究發(fā)現(xiàn)Notch信號(hào)通路可能通過Hes1正向調(diào)節(jié)PM2.5誘導(dǎo)的Muc5AC，導(dǎo)致人氣道上皮細(xì)胞粘液分泌過多加重。而Notch信號(hào)通路的失調(diào)與COPD的病理有關(guān)，特別是在黏膜增生和內(nèi)皮細(xì)胞凋亡中[19]。

因此PM2.5可通過過度激活COPD的Notch信號(hào)通路，參與COPD小鼠的Th1和Th17介導(dǎo)的免疫紊亂和粘液蛋白的表達(dá)，促使COPD炎性細(xì)胞增生產(chǎn)生炎性介質(zhì)引發(fā)炎性反應(yīng)進(jìn)展及粘液高分泌，進(jìn)而發(fā)生內(nèi)皮細(xì)胞凋亡及黏膜增生等一系列病理改變，加重COPD的進(jìn)展。

三、氧化應(yīng)激

研究表明PM2.5表面富含鐵、銅、鋅、錳等金屬，以及多環(huán)芳烴[3]。這些成分可刺激肺上皮細(xì)胞釋放活性氧(ROS)，如超氧物和過氧化氫。Zhang等[20]研究發(fā)現(xiàn)PM2.5暴露后可增加COPD組織中血管緊張素-II(Ang-Ⅱ),Ang-Ⅱ的增加可激活NF-κB通路引起強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)，卻通過抑制核因子促紅細(xì)胞生成相關(guān)因子2(Nrf-2)的信號(hào)通路，促進(jìn)ROS活性增高，加重氧化/抗氧化反應(yīng)，而Nrf-2是細(xì)胞防御化學(xué)/氧化應(yīng)激的重要調(diào)節(jié)因子，血紅素加氧酶1(HO-1)是Nrf-2激活后轉(zhuǎn)錄的蛋白之一。因此一旦PM2.5沉積在肺細(xì)支氣管和肺泡表面，可刺激上皮細(xì)胞釋放ROS，ROS激活A(yù)ng-Ⅱ/NF-kB信號(hào)通路和抑制Nrf-2/HO-1信號(hào)通路增強(qiáng)COPD大鼠炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激。

四、表觀遺傳

表觀遺傳學(xué)是指基因的核苷酸序列不發(fā)生改變的情況下，可遺傳的基因表達(dá)水平的改變，包括DNA甲基化 、組蛋白修飾重塑等[21]。研究發(fā)現(xiàn)高PM2.5暴露后，健康青年人調(diào)節(jié)炎癥和氧化應(yīng)激的基因發(fā)生了甲基化，如含有45(TRIM45)基因在高PM2.5下三重基序甲基化顯著，該基因的靶蛋白調(diào)節(jié)絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)和NF-κB炎癥信號(hào)通路[21]。Na等[22]發(fā)現(xiàn)MAPK和NF-κB信號(hào)通路的激活與柴油排放顆粒暴露后人氣道上皮細(xì)胞MUC5AC和MUC5B基因的上調(diào)相關(guān)，而MUC5AC和MUC5B兩種粘蛋白的高表達(dá)，使COPD大鼠的粘液高分泌[12]，而粘液高分泌會(huì)導(dǎo)致小氣道阻力增加，氣流受限進(jìn)行性加重，導(dǎo)致COPD肺功能下降加重。

上述研究表明，PM2.5長(zhǎng)期暴露，會(huì)使其成分沉積在COPD患者的肺細(xì)支氣管和肺泡表面，刺激肺上皮細(xì)胞釋放ROS，激活A(yù)ng-Ⅱ/NF-κB信號(hào)通路和抑制Nrf-2/HO-1信號(hào)通路，增強(qiáng)COPD患者的炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激或促使粘液高分泌，或通過Notch信號(hào)通路引發(fā)免疫失衡，加重炎癥反應(yīng)和氣道粘液高分泌，或影響基因甲基化等一系列致病過程，增強(qiáng)支氣管炎癥、杯狀細(xì)胞增生和粘液高分泌，進(jìn)而導(dǎo)致小氣道重塑和肺氣腫的升高，使氣流受限進(jìn)行性加重，肺功能下降，影響COPD的發(fā)展[12]。

PM2.5對(duì)肺部微生態(tài)的影響與COPD發(fā)病機(jī)制的關(guān)系

一、PM2.5與肺部微生態(tài)

Yang等[23]研究發(fā)現(xiàn)暴露于PM2.5后，細(xì)菌物種多樣性下降，允許其他種類擴(kuò)大，表明暴露損害了肺組織中的生態(tài)位平衡，干擾了細(xì)菌多樣性。Li等[24]研究發(fā)現(xiàn)PM2.5暴露會(huì)擾亂肺微生態(tài)結(jié)構(gòu)，引起肺損傷。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)PM2.5暴露引起的肺損傷中丙酮酸和嘧啶代謝紊亂。代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，核苷主要通過兩種途徑分解代謝，一種是氧化途徑，另一種是還原途徑，而嘧啶可以降解為簡(jiǎn)單的代謝物，成為碳和氮的來源[25-26]。其中氧化途徑僅在一些細(xì)菌中被報(bào)告,如大腸桿菌[25]，而還原途徑存在于一些古生菌、細(xì)菌和真核生物中[26]。且研究表明，肺代謝物的改變與肺微生物群有顯著的相關(guān)性[27]。Olou等[28]研究發(fā)現(xiàn)脫氧尿嘧啶有抗氧化特性，且觀察到脫氧尿嘧啶核苷可以去除ROS 誘導(dǎo)的應(yīng)激。所以PM2.5引起的肺代謝譜紊亂與慢阻肺的微生物區(qū)系變化之間，可能存在因果關(guān)系。

二、肺部微生態(tài)與COPD

隨著技術(shù)的發(fā)展，打破了傳統(tǒng)認(rèn)為肺是無菌的[29],進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)下呼吸道有類似上呼吸道的微生物群，且證實(shí)了肺部微生物群研究中確定的口腔微生物群，是由于一種生理過程，如吸入，而不是在支氣管鏡檢查或咳痰受到污染[30],部分肺部微生物與腸道重疊[31],且還有一部分可能在出生時(shí)就已經(jīng)定植在呼吸道中[32]。肺部微生態(tài)還可能受年齡、吸煙、肺移植、不正常的解剖結(jié)構(gòu)和可能改變微生物組的藥物使用等的影響[25]。

Pragman等[30]發(fā)現(xiàn)在COPD患者中放線菌、鏈球菌、丙酸桿菌、棒狀桿菌、德沃西亞屬、羅氏菌屬和嗜血桿菌屬，是慢性阻塞性肺病肺部微生物群中最豐富的屬，隨著COPD嚴(yán)重程度的改變，肺部微生物群也發(fā)生了變化，在COPD病情加重期間，主要的菌群變化是變形桿菌、厚壁菌或擬桿菌，在嚴(yán)重(慢性阻塞性肺疾病全球倡議3)COPD患者加重期間檢測(cè)到鏈球菌和莫拉氏菌水平[33]。因此COPD的加重與支氣管微生物組的異質(zhì)性變化可能有關(guān)，與COPD病原體相關(guān)的物種豐富度種類增加，有助于組成和功能穩(wěn)態(tài)的微生物群成員減少。

三、PM2.5對(duì)肺部微生態(tài)的影響對(duì)COPD發(fā)病機(jī)制的影響

Wang等[34]發(fā)現(xiàn)嗜血桿菌及其他蛋白細(xì)菌比例增加可能會(huì)將正常肺微生物生態(tài)系統(tǒng)改造成一種失調(diào)狀態(tài)，肺部微生物群的失調(diào)可能間接觸發(fā)CXCL8/IL-8的過度產(chǎn)生。PM2.5暴露也可升高人支氣管上皮細(xì)胞中IL-6、IL-8的水平[35]。而CXCL8/IL-8是中性粒細(xì)胞的趨化劑，中性粒細(xì)胞的活化和聚集是COPD炎癥過程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，CXCL8/IL-8在慢阻肺患者血清中明顯升高，可誘導(dǎo)氣道炎癥，產(chǎn)生粘液加重慢阻肺[36]。因此PM2.5與菌群失調(diào)可共同作用引起CXCL8/IL-8升高，加重COPD。

Yadava等[37]發(fā)現(xiàn)肺微生物群可誘導(dǎo)局部IL-17反應(yīng)，而Th17細(xì)胞的主要效應(yīng)因子是IL-17，PM2.5暴露會(huì)使COPD組血清中IL-17的增加更加顯著，加重Th17/Treg的免疫失衡，參與Notch信號(hào)的調(diào)節(jié)導(dǎo)致慢性肺疾病發(fā)展[17]。而Liu等[38]研究表明空氣顆粒物暴露下的IL-6是炎癥過程中上皮細(xì)胞上細(xì)胞間粘附分子-1(ICAM-1)表達(dá)的重要誘導(dǎo)因子，且ICAM-1表達(dá)與NF-κB通路密切相關(guān)，曾有研究發(fā)現(xiàn)乳桿菌可激活NF-κB和MAPK通路，進(jìn)而引起免疫細(xì)胞反應(yīng)[39]，因此PM2.5及其載帶的微生物可能會(huì)引起COPD肺部微生態(tài)的失調(diào)，激活相關(guān)通路引起免疫細(xì)胞的免疫應(yīng)答引起炎性因子水平的變化，加重慢性阻塞性肺疾病的進(jìn)展。

PM2.5與其他因素相互作用對(duì)COPD的影響

研究發(fā)現(xiàn)PM2.5暴露后在COPD患者和人支氣管上皮細(xì)胞中，母體表達(dá)的基因3(Meg3)具有LncRNA的功能[40]。Song等[41]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)Meg3在COPD組織中表達(dá)增高，且與 FEV1% 呈負(fù)相關(guān)。這些結(jié)果提示PM2.5長(zhǎng)期暴露后可能會(huì)通過影響基因的表達(dá)引起人氣道上皮細(xì)胞炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激，進(jìn)而引起慢阻肺肺功能的下降，加重COPD的發(fā)展。

另有研究發(fā)現(xiàn)雖然PM2.5可通過ROS激活A(yù)ng-Ⅱ/NF-κB信號(hào)通路和抑制Nrf-2/HO-1信號(hào)通路增強(qiáng)COPD大鼠炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激，但冷應(yīng)激會(huì)協(xié)同PM2.5使上述變化更顯著[20]。此外，Zhao等[42]研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期暴露于PM2.5會(huì)導(dǎo)致COPD組肺功能下降，肺氣腫病變和氣道炎癥。而香煙煙霧與PM2.5實(shí)驗(yàn)組使上述變化更明顯。因此香煙煙霧與PM2.5同時(shí)暴露可能會(huì)加重COPD進(jìn)展。

總 結(jié)

綜上所述，PM2.5暴露可刺激COPD肺上皮細(xì)胞及巨噬細(xì)胞釋放炎癥因子，引起IL-6、IL-8等升高，同時(shí)PM2.5暴露后COPD的優(yōu)勢(shì)菌群也會(huì)引起IL-6、IL-8等升高，引發(fā)炎癥反應(yīng)。PM2.5暴露還可引起Th1和Th17介導(dǎo)的免疫紊亂，使Notch信號(hào)通路處于過度激活狀態(tài)，加重COPD的免疫紊亂，而肺部微生物也可引起相應(yīng)的免疫失衡。另外乳桿菌可激活NF-κB通路，而NF-κB信號(hào)通路與PM2.5暴露引起COPD的炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激等機(jī)制密切相關(guān)，因此肺部微生態(tài)可協(xié)同PM2.5引發(fā)上述機(jī)制的發(fā)生,進(jìn)一步導(dǎo)致COPD肺部微生態(tài)的紊亂，引發(fā)肺損傷，或PM2.5通過影響肺部微生物的代謝途徑誘導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng)導(dǎo)致肺功能下降。而香煙煙霧及冷應(yīng)激等也可協(xié)同PM2.5，影響COPD的發(fā)展，這為研究慢阻肺發(fā)病機(jī)制提供了一個(gè)全方位的思考。

展 望

空氣污染一直是全球關(guān)注的問題，而其對(duì)慢阻肺發(fā)病機(jī)制的影響也倍受矚目。隨著宏基因組測(cè)序技術(shù)及代謝組學(xué)的發(fā)展，為研究慢阻肺的發(fā)病機(jī)制提供了一個(gè)新的思路如PM2.5如何引起慢阻肺微生物菌群失調(diào)的或者PM2.5與肺部微生物群落之間如何作用促使慢阻肺進(jìn)展的或PM2.5對(duì)慢阻肺微生物的影響是否會(huì)影響代謝紊亂而加重慢阻肺。了解肺部微生態(tài)中菌株的免疫潛力及其發(fā)病機(jī)制，有助于選擇改善呼吸道疾病發(fā)病頻率的菌株，減輕疾病嚴(yán)重程度。但隨著慢阻肺疾病的進(jìn)展，使用皮質(zhì)類固醇激素的頻率增加，會(huì)影響慢阻肺微生態(tài)的研究，這仍然是一個(gè)有待解決的問題。而減少工業(yè)污染物的排放，仍是目前我國(guó)迫切需要解決的問題。