大氣PM2.5損傷呼吸系統(tǒng)健康的潛在機(jī)制

李晶 陳晶晶 張念志

環(huán)境空氣顆粒物(PM)是影響空氣質(zhì)量和人體健康的重要物質(zhì)，按其直徑大小可分為總懸浮顆粒物(TSP)、可吸入顆粒物(PM10)、粗顆粒物(PM2.5～10)、細(xì)顆粒物(PM2.5)和超細(xì)顆粒物 (PM0.1)。2018年5月，世界衛(wèi)生組織(WHO)評估結(jié)果公布[1]，2016年全球約有 91% 的人口生活所在地區(qū)的空氣質(zhì)量水平超過 WHO《空氣質(zhì)量準(zhǔn)則》建議的PM2.5年均值10μg/m3，有420萬例死亡病例與暴露于室外空氣污染有關(guān)，而這些過早死亡又主要發(fā)生在中低收入國家。大氣污染同時(shí)也是慢性非傳染性疾病死亡的主要原因。其中43%的肺部疾病死亡、29% 的肺癌死亡、24%的中風(fēng)死亡、25%的心臟病死亡與大氣污染有關(guān)。目前已有大量研究證實(shí)，PM2.5對呼吸系統(tǒng)的影響較大[2-5]，因其表面積更大，易吸附有毒物質(zhì)和重金屬，傳播距離更遠(yuǎn)，在大氣中停滯時(shí)間更長，并能進(jìn)入肺泡終端甚至血液循環(huán)。為探究PM2.5致病的潛在機(jī)制，筆者試從病理生理學(xué)機(jī)制和細(xì)胞與分子學(xué)機(jī)制兩個(gè)層面來進(jìn)行探討。

病理生理學(xué)機(jī)制

一、損傷肺組織

PM2.5是顆粒物到達(dá)肺泡的臨界值，粒徑小于2.5微米的顆粒物，會進(jìn)入細(xì)支氣管、肺泡，再通過肺泡壁進(jìn)入毛細(xì)血管，從而進(jìn)入整個(gè)血液循環(huán)系統(tǒng)。不同地區(qū)PM2.5的組成也不盡相同，PM2.5通常由微小的碳核和空氣中的微小水滴組成，在某些污染嚴(yán)重的地區(qū)還會吸附重金屬和塵埃顆粒等，這些被吸附的有毒顆?？梢灾苯舆M(jìn)入肺泡，長時(shí)間滯留，很難被清除排出，因此，肺是PM2.5致病的直接靶器官。Jiang[5]等研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5氣管滴注小鼠肺組織，可見炎癥細(xì)胞浸潤和肺泡間隔增厚，而CARD9介導(dǎo)的(輔助T細(xì)胞17)Th17/Treg(調(diào)節(jié)性T細(xì)胞)分化，可能在PM2.5誘導(dǎo)的肺損傷中起重要作用。De Barros Mendes Lopes等[6]研究認(rèn)為，PM2.5可致肺彈性增高，肺泡數(shù)量減少，從而導(dǎo)致呼吸功能異常，并且PM2.5可以通過影響子宮內(nèi)的生物分子DNA損傷及其調(diào)控、炎癥反應(yīng)，最終導(dǎo)致成年小鼠肺泡數(shù)量減少，肺功能受損。Yang[7]等通過動物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)口鼻暴露系統(tǒng)吸入高濃度PM2.5后，大鼠肺實(shí)質(zhì)明顯水腫，肺泡上皮細(xì)胞部分損害，黏液層中的纖毛細(xì)胞及刷細(xì)胞等細(xì)胞出現(xiàn)損傷或死亡。Wang[8]等通過體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，慢性PM2.5暴露小鼠肺組織病理顯示支氣管上皮細(xì)胞非典型增生，當(dāng)在體外通過抑制劑RO4929097阻斷了Notch信號通路后，PM2.5長期暴露A549(人非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞)和BEAS-2B(人正常肺上皮細(xì)胞)中的EMT(上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化)和CSC(癌癥干細(xì)胞)特征得到抑制。

二、黏液纖毛清除系統(tǒng)功能損傷

黏液纖毛清除系統(tǒng)是呼吸道重要的防御機(jī)制之一，主要由黏液腺細(xì)胞、纖毛細(xì)胞、及其黏液組成。正常的氣道黏液含有95%的水分，2%～3%黏液蛋白、0.1%～0.5%蛋白質(zhì)、0.3%～0.5%脂質(zhì)以及1%的無機(jī)鹽。健康人氣道上皮細(xì)胞的80%為纖毛細(xì)胞，纖毛運(yùn)動功能異常將導(dǎo)致呼吸道防御功能下降，是造成呼吸道感染等疾病的重要因素之一。纖毛在兩層黏液中運(yùn)動，各種因素如煙霧粉塵刺激、感染等會引起黏液分泌增加、纖毛運(yùn)動減慢，從而誘發(fā)多種呼吸系統(tǒng)疾病[9，10]。Zhao[11]等通過PM2.5吸入暴露系統(tǒng)將慢性鼻-鼻竇炎(CRS)兔暴露于環(huán)境PM2.5中，發(fā)現(xiàn)CRS家兔的纖毛破壞加重，杯狀細(xì)胞增生和膠原蛋白沉積增加，并且CRS兔的鼻黏膜顯示出明顯升高的MUC5AC表達(dá)。

1 氣道粘液高分泌 MUC5AC蛋白是一個(gè)重要的小氣道上皮大分子粘蛋白，參與調(diào)控氣道黏液的分泌[12]。作為一種分泌性粘蛋白，其可形成凝膠，為呼吸道及胃腸道等上皮提供物理屏障。郭志強(qiáng)[13]等研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5慢性暴露的AR大鼠鼻黏膜紊亂、倒伏、組裝和扭曲，并且鼻灌洗液中MUC5AC水平和杯狀細(xì)胞增生顯著增加。Huang[14]等研究發(fā)現(xiàn)，WSPM2.5(木煙來源的PM2.5)在大鼠氣道中引起明顯的粘液細(xì)胞化生和MUC5AC產(chǎn)生，并推測WSPM2.5誘導(dǎo)的鼻炎釋放的自分泌作用與EGFR-ERK激活之間的正反饋回路促進(jìn)了持續(xù)的粘液過度分泌。Feng[15]等認(rèn)為芳香烴受體(AhR)參與PM2.5促氧化和促炎作用的分子機(jī)制，采用經(jīng)鼻吸入法使大鼠暴露于1328±730 μg/m3濃縮環(huán)境顆粒中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大鼠氣道上皮黏液分泌及MUC5AC表達(dá)增加，而高濃度氫氣可減少環(huán)境PM2.5暴露大鼠的氣道黏液高分泌，減輕芳香烴受體誘導(dǎo)的肺損傷。

2 肺內(nèi)水平衡失調(diào) PM2.5對呼吸系統(tǒng)的毒理作用主要表現(xiàn)為急性肺損傷，即肺泡和肺間質(zhì)水腫伴高蛋白液體。AQP1是一種具有轉(zhuǎn)運(yùn)水和部分陽離子雙重功能的跨膜蛋白,它的嵌入使生物膜對水的通透能力大大提高,對調(diào)節(jié)肺水平衡起著關(guān)鍵作用,與急性肺水腫的形成和清除密切相關(guān)[16]。李文可[17]等研究表明，PM2.5暴露可導(dǎo)致肺上皮細(xì)胞A549及大鼠肺組織中AQP1的表達(dá)水平顯著升高,并伴有肺組織水腫。Cui[18]等研究發(fā)現(xiàn)，氣管內(nèi)推注PM2.5(4 mg/kg b.w，溶于50μL PBS中)24h以后，電鏡觀察肺細(xì)胞PM2.5沉積和線粒體腫脹，并可見肺和PMN(多形核白細(xì)胞)彌漫性肺泡內(nèi)水腫。而這一病理過程可能為PM2.5誘導(dǎo)多形核白細(xì)胞(PMN)浸潤以及內(nèi)皮細(xì)胞及其配體上VCAM-1的表達(dá)，從而加劇了顆粒物誘發(fā)的肺損傷。

3 纖毛運(yùn)動功能減弱 纖毛是上皮細(xì)胞頂端伸出的毛狀突起，直徑約0.2um，長約5～10um，上呼吸道每個(gè)纖毛上皮細(xì)胞約有250～270根纖毛，其主要作用是推進(jìn)上皮表面的液體、微生物、灰塵或黏液膜。纖毛擺動是在 ATP 提供動能情況下，微管做滑行運(yùn)動產(chǎn)生的，纖毛以 12～15HZ 向前向后擺動構(gòu)成了整個(gè)纖毛擺動周期，當(dāng)纖毛向前擺動時(shí)，將動能輸送到頂端粘液層，有毒物質(zhì)排出[19]。 段爭[20]等研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5暴露后，大鼠支氣管纖毛出現(xiàn)排序紊亂、粘連和瘀斑，大鼠對肺炎克雷伯菌感染的易感性增加，細(xì)菌清除率減低。其機(jī)制可能與支氣管黏膜纖毛系統(tǒng)受損及細(xì)胞因子的相互作用有關(guān)。Zhao[11]等研究也表明，PM2.5暴露后，慢性鼻-鼻竇炎(CRS)家兔纖毛顯著破壞，并且鼻黏膜MUC5AC表達(dá)顯著升高，由此推測纖毛破壞、鼻重塑和粘液分泌的增加可能是PM2.5誘導(dǎo)CRS加重的病理生理機(jī)制。

三、線粒體功能損傷

線粒體是生成三磷酸腺苷(ATP)和 活性氧(ROS)的主要場所，是細(xì)胞能量代謝和物質(zhì)轉(zhuǎn)化的核心，是外界不良刺激的重要靶器官。N??v[21]等研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5暴露后的HTR-8細(xì)胞透射電鏡下可見線粒體空泡化、聚集的細(xì)胞骨架、染色質(zhì)凝聚、擴(kuò)張的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和自噬體，并且在暴露細(xì)胞的線粒體內(nèi)膜內(nèi)觀察到PM2.5顆粒的攝取。Zhou[22]等研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5暴露增加了血紅素加氧酶1(HO-1)的表達(dá)和線粒體轉(zhuǎn)位，從而減少了細(xì)胞色素C從線粒體釋放到胞質(zhì)，這一過程會阻礙PM2.5誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡并加快自噬相關(guān)細(xì)胞壞死。

四、代謝組學(xué)變化

目前已經(jīng)有許多代謝組學(xué)研究證實(shí)，PM2.5暴露與代謝紊亂具有相關(guān)性，長期或短期暴露于PM2.5均會導(dǎo)致全身代謝譜變化[23]。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[24-26]，PM2.5暴露后肺泡灌洗液中卵磷脂和溶血卵磷脂顯著增加。磷脂是各種生物膜的重要組成成分，也是前列腺素和白三烯的前體，這也間接說明了PM2.5暴露會誘導(dǎo)肺部炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生。Li[26]等研究證實(shí)，PM2.5氣管滴注小鼠肺組織代謝譜發(fā)生顯著變化，富馬酸、纈氨酸和異亮氨酸等參與能量代謝的氨基酸代謝水平降低，表明PM2.5暴露加速了三羧酸循環(huán)和能耗，致能量代謝紊亂，并最終表現(xiàn)為肺損傷。

細(xì)胞與分子機(jī)制

一、炎癥反應(yīng)

炎癥反應(yīng)既是一種病理過程，又是一種機(jī)體積極防御病原體的方式，在這一過程中，T淋巴細(xì)胞和機(jī)體其他細(xì)胞，如上皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、肥大細(xì)胞等產(chǎn)生各種細(xì)胞因子，如白介素系列、干擾素-γ、腫瘤壞死因子、化學(xué)趨化因子等，這些呼吸道炎癥反應(yīng)促炎因子，可促使多種炎性細(xì)胞如巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和肥大細(xì)胞等向呼吸道黏膜中趨化和移行，并在此引起肥大細(xì)胞脫顆粒和釋放介質(zhì)，相關(guān)細(xì)胞釋放細(xì)胞因子和化學(xué)趨化因子等，使炎癥進(jìn)行性加重。

Wang[27]等研究表明，PM2.5能顯著增加哮喘小鼠氣道阻力和肺部炎癥，增加支氣管肺泡灌洗液中炎性細(xì)胞、嗜酸性粒細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和淋巴細(xì)胞的數(shù)量，并且降低小鼠肺組織中抗氧化酶含量，通過上調(diào)microRNA-206的表達(dá)導(dǎo)致ROS水平升高。Zou[28]等研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5通過Wnt5a/Ror2信號傳導(dǎo)誘導(dǎo)人支氣管上皮中IL-6，IL-8和IL-1β的分泌，采用Wnt5a拮抗劑(BOX5)可減輕其炎癥反應(yīng)。

二、氧化應(yīng)激

氧化應(yīng)激與慢性阻塞性肺病、支氣管哮喘、特發(fā)性肺纖維化等呼吸系統(tǒng)疾病關(guān)系密切。大氣環(huán)境的變動、污染物的刺激、炎癥反應(yīng)等均能使機(jī)體產(chǎn)生大量自由基，誘導(dǎo)肺損傷。肺內(nèi)的主要氧化物包括ROS(活性氧族)和RNS(活性氮族)。ROS包括氧直接或間接轉(zhuǎn)變的氧自由基和活性高的非自由基氧代謝產(chǎn)物，如H2O2(過氧化氫)、OH·及ROO·、ROOH(有機(jī)過氧化物)等比氧活潑的物質(zhì)。它可以通過脂質(zhì)過氧化作用，對核酸和蛋白質(zhì)的損傷來損傷肺組織。氧化應(yīng)激指標(biāo)主要包括四類[29]：①活性氧及其化合物：H2O2、NO(一氧化氮)等；②酶類抗氧化劑：SOD(超氧化物歧化酶)、CAT(過氧化氫酶)等；③非酶類抗氧化劑：GSH(谷胱甘肽)、VitC(維生素C)等；④氧化應(yīng)激損傷標(biāo)志物：LOOH(脂質(zhì)氫過氧化物)、8-OHdG(8-羥化脫氧鳥苷)等。

Li[30]等研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5處理后的人肺泡上皮細(xì)胞細(xì)胞凋亡和活性氧(ROS)生成增加，miR-486(微小RNA)的表達(dá)降低，而miR-486模擬物可以負(fù)反饋調(diào)節(jié)這一過程。徐貞貞[31]等將支氣管上皮細(xì)胞暴露于PM2.5 24h以后，細(xì)胞內(nèi)ROS水平及JAK2、STAT3的基因表達(dá)均高于對照組，認(rèn)為PM2.5可引起支氣管上皮細(xì)胞氧化損傷，進(jìn)而通過氧化應(yīng)激調(diào)節(jié)上皮細(xì)胞JAK/STAT信號通路及相關(guān)細(xì)胞因子，造成細(xì)胞損傷。

三、DNA 損傷

關(guān)于PM2.5致DNA損傷的機(jī)制，目前有三種猜想。一是PM2.5通過氧化應(yīng)激使機(jī)體產(chǎn)生過多的ROS，而這一進(jìn)程會氧化核酸，特別是DNA,使其機(jī)構(gòu)改變，功能喪失，從而啟動細(xì)胞凋亡或類凋亡死亡程序。二是PM2.5通過破壞生物膜(如細(xì)胞膜及細(xì)胞器膜等)，使膜內(nèi)介質(zhì)如水溶酶釋放入胞質(zhì)，造成細(xì)胞損傷。三是PM2.5所攜帶的某些化合物，如多環(huán)芳烴(PAHs)和硝基化合物(如硝基-多環(huán)芳烴、羥胺、3-硝基苯并蒽酮)，具有致畸及致突變性，造成DNA損傷。Li[32]等通過動物實(shí)驗(yàn)表明，PM2.5暴露可以通過ERK-DNMT途徑增加CD4+T細(xì)胞中IFN-γ基因啟動子的DNA甲基化來加劇過敏性鼻炎。Niu[33]等研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5暴露后的人支氣管上皮細(xì)胞可見DNA鏈斷裂、染色質(zhì)損壞，當(dāng)PM2.5濃度增加至116.9μg/mL時(shí)，OGG1，XRCC1和PARP1等DNA修復(fù)基因的表達(dá)顯著增加。Yang[34]等研究發(fā)現(xiàn)，敲除OGG1(一種DNA修復(fù)酶)可加重PM2.5損傷小鼠的肺纖維化、氧化應(yīng)激和2型肺泡上皮細(xì)胞(AEC2s)死亡，而NF-κB抑制劑可促進(jìn)PM2.5損傷后OGG1缺陷的AEC2s細(xì)胞增殖和自我更新，并減弱PM2.5誘導(dǎo)的小鼠肺纖維化和損傷。

四、細(xì)胞自噬

細(xì)胞自噬是細(xì)胞對內(nèi)外界環(huán)境壓力變化的一種反應(yīng)，是對細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)周轉(zhuǎn)的重要過程，它通過自身細(xì)胞膜包裹損壞的蛋白或細(xì)胞器形成自噬小體，與溶酶體結(jié)合形成自噬溶酶體，最終被溶酶體降解，完成自身代謝及細(xì)胞器更新。細(xì)胞自噬受到復(fù)雜的信號傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控，機(jī)體的炎癥反應(yīng)及氧化應(yīng)激均可誘導(dǎo)細(xì)胞自噬的發(fā)生。

趙仁伍[35]等通過PM2.5染毒鼻上皮細(xì)胞24h后發(fā)現(xiàn)，PM2.5分別顯著增加代表自噬體和自噬溶酶體的黃點(diǎn)和紅點(diǎn)數(shù)量，并且IL-6和TNF-α等炎性細(xì)胞因子的分泌增加，說明自噬可誘導(dǎo)炎癥因子釋放，使炎癥反應(yīng)提前。Han[36]等研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5可通過PI3K/AKT/mTOR信號通路誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和自噬，并推測其為減輕PM2.5誘導(dǎo)的肺部疾病肺損傷的潛在靶標(biāo)。

小 結(jié)

綜上，PM2.5可誘發(fā)機(jī)體的炎癥反應(yīng)及氧化應(yīng)激，其攜帶的有毒成分可能致DNA變性，而炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激及DNA變性又可誘發(fā)細(xì)胞自噬，四者相互聯(lián)系，貫穿在肺組織損傷的整個(gè)過程中，并且炎癥反應(yīng)及氧化應(yīng)激被認(rèn)為是PM2.5誘導(dǎo)肺損傷的主要機(jī)制。其病理機(jī)制可以概括為，PM2.5致氣道粘液高分泌，肺組織水腫，纖毛運(yùn)動系統(tǒng)功能失常，黏液纖毛清除系統(tǒng)功能損傷，而全身代謝組學(xué)的改變可能與線粒體功能損傷及細(xì)胞膜的破壞密不可分。

近年來PM2.5所致各系統(tǒng)損傷逐步被學(xué)者驗(yàn)證，各種西藥如NAC(乙酰半胱氨酸)、維生素E、高分子透明質(zhì)酸、氫氣等也被證實(shí)對PM2.5造成的損傷起到一定的預(yù)防及治療作用。然而現(xiàn)有的對PM2.5致病機(jī)制的探索并不全面，相關(guān)藥物的研發(fā)也受到一定的局限，亟待更深層次研究來探討各個(gè)猜想之間的相關(guān)性，為防治PM2.5所致呼吸系統(tǒng)疾病提供更有力的理論依據(jù)。