大气污染致慢性呼吸道疾病机制研究

基金项目：国家自然科学基金项目（编号：81172615），广东医学院科技创新资助项目（编号：STIF201109）
林子英 任妮娜 刘 刚：广东医学院临床医学研究中心 广东湛江 524001
通讯作者：刘 刚

大气污染致慢性呼吸道疾病机制研究

林子英 任妮娜 刘 刚
MECHANISM OF CHRONIC RESPIRATORY DISEASES CAUSED BY AIR POLLUTION
LIN Ziying, REN Nina, LIU Gang

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  【摘 要】 许多证据表明大气污染与慢性呼吸道疾病有关，其中以颗粒物的影响最为人们所关注。无论是儿童还是成人，呼吸系统疾病与大气污染程度都密切相关，这也是当前研究的热点。大气污染对呼吸系统疾病的影响机制包括氧化应激、炎症反应、遗传损伤等；本文就大气颗粒物PM25导致慢性呼吸道疾病发病机制的最新进展进行综述。
  【关键词】 大气颗粒物,PM25,氧化应激,慢性炎症,呼吸系统疾病

  【Abstract】 Lots of evidence show a correlation between air pollution and chronic respiratory diseases, of which the effect of particulate matter is the most concerned. It is the current research hotspot that respiratory diseases in both children and adults are closely related with atmospheric pollution levels. The influence mechanisms of atmospheric pollution on respiratory diseases include oxidative stress, inflammation, genetic damage, etc. This paper made a review of the latest advances s on the pathogenesis of chronic respiratory diseases caused by atmospheric particulates PM2.5.
     【Key words】  Atmospheric particulate matter, PM2.5, Oxidative stress, Inflammation, Respiratory diseases
     【Author′s address】 Clinical Medical Research Center of Guangdong Medical College, Guangzhou 524001, Guangdong Province, China
  doi:10.3969/j.issn.1671-332X.2015.01.002

  呼吸系统疾病是指感冒、气管炎、支气管炎、肺炎等呼吸道的急慢性炎症,是常见的多发疾病，危害较大。呼吸道疾病是由多种病毒感染所引起的。呼吸道疾病的发病率与大气污染和气象条件的变化有着直接的关系。当大气污染严重时,呼吸道疾病的发病率明显上升。颗粒物污染是大气中最重要的污染物之一，已成为我国大多数地区的大气首要污染物，是目前公认的对人体危害最大的大气污染物。大气污染与呼吸道疾病有着密切的关系，大气污染与慢性呼吸道炎症肺气肿等疾病的发病密切相关，大气中悬浮煤尘的增加与上呼吸道感染有明显的相关性。大气污染重的地区与污染轻的地区相比，居民咽部刺激感、咳嗽、痰多的人大大增加，且低浓度的环境污染物长期反复作用于人体，可以使机体的免疫功能受到损害可使呼吸功能水平发生改变。
     我国目前哮喘发病率约为05%～619%，城市的发病率高于农村，表明哮喘与空气污染有十分密切的关系［1］。污染的大气长期反复作用于机体会降低人的呼吸功能，增加呼吸系统疾病和过敏性炎症的发生。随着城市化发展，肺癌死亡率呈上升趋势。本文就大气颗粒物PM25导致慢性呼吸道疾病发病机制的最新进展进行综述。
     1 大气颗粒物
     大气颗粒物(particulate matter，PM)是指以气溶胶状态存在于大气中的颗粒物质，按其空气动力学直径(Dp)可分为：粗颗粒物(course particle，Dp≤10 μm，PM10)、细颗粒物(fine particle，Dp≤25 μm，PM25)和超细颗粒物(ultrafine particle，Dp≤01 μm，PM01)。
     由于细颗粒物(PM25)粒径较小，导致其在空气中的存留时间和在呼吸系统的沉积率增加，对人体健康的影响也加大。目前，国内外对颗粒物健康影响的研究重点已从可吸入颗粒物PM10逐渐转向PM25。在过去的十多年间，美国和一些欧洲国家开展了较系统的PM25研究，主要涉及PM25质量浓度的时空分布、排放清单、排放特征谱、源解析以及PM25对大气能见度和人体健康影响等方面。
     2 PM25的特性
     PM25是大气总悬浮颗粒物中直径小于或等于25微米的粒子，也称为可入肺颗粒物，主要来源于交通、制造、能源等行业中的高温燃烧过程，及空气中各种污染物经气粒作用和化学反应产生的二次粒子。由于体积小，PM25可抵达细支气管壁并沉积于此，对肺内的气体交换产生影响，此外PM25某些较细的组分可以穿透肺泡进入血液，随血流分布并损伤身体的其它部位。
     3 大气颗粒物污染的流行病学研究
     空气污染健康效应研究的内容之一，即确定污染物的暴露反应关系,而暴露研究就是连接环境研究和流行病学以及毒理学研究的桥梁。近几十年来，科学家对大气颗粒物的暴露与人体的健康效应的关系做了许多流行病学调查研究，并从多角度探讨大气颗粒物与机体系统疾病的关系。TURNER等［2］一项长达26年(1982～2008年)的队列研究跟踪随访近120万名研究对象，从中抽出188 699名终身不吸烟者进行研究，其中1 100人死于肺癌，结论是PM25浓度每升高10 μg/m3，肺癌死亡率增加15%~27%。BEELEN等［3］最近开展的一项队列研究探讨长期暴露于不同的空气污染物与自然死亡之间的联系。该研究纳入22份欧洲队列研究数据，涵盖367 251例普通人口，利用回归模型对欧洲人群居住区域空气污染暴露情况进行评估，研究结果发表于《Lancet》杂志上。结果表明PM25相关的自然死亡风险比(HR)显著增高，为107。大气污染对健康的影响分急性和慢性2种。长期暴露于细颗粒物造成的空气污染中，即使污染物浓度低于欧洲年均限定值(25 μg/m3)，仍然会显著增加普通居民人群的自然死亡风险。 
     国内学者对大气颗粒物的暴露与人体的健康效应也进行了大量的流行病学研究。Shang等［4］ 筛选33个国内PM25相关方面的研究，并对这些研究结果进行meta分析，结果显示PM25浓度每升高10 μg/m3，人群总死亡率增加038％(95％ CI 031％~045％)，其中因引起呼吸系统疾病的死亡率提高051％(95% CI 030%~073%)。
4 大气颗粒物的毒理学研究
     大气颗粒物的致病机制尚处于探索阶段，其致病性取决于多种因素，包括人所处环境的暴露浓度和作用时间，此外大气颗粒物表面可吸附的有毒害物质，如重金属、细菌、真菌以及病毒等，所携带的组分通常会随着时空变换而不断变化，所以导致机体损伤程度和机制也会相应发生变化。目前认为大气颗粒物主要通过氧化应激、炎症反应、遗传损伤以及细胞内信号转导异常等机制对人体健康造成危害。
4.1 大气颗粒物与氧化应激
     大气颗粒物介导机体产生氧化应激被认为是大气颗粒物发挥其毒理效应的基础［4］。大气颗粒物表明携带的过渡金属离子(如铁、铜、铬等)通过Fenton反应(Fe2＋＋H2O2＋H＋→Fe3＋＋OH·＋H2O)产生活性分子，引起DNA氧化损伤［5］。颗粒物表明携带的多环芳烃等有机物质，包括醇类、二醇、环氧化物、醚类、醛类、酮类、羧酸盐、酯类以及苯酚等也可以介导活性分子产生使机体组织氧化损伤［6-7］。在最近的研究中，ORONA等［8］分别收集城市和郊区来源的颗粒，分别处理肺泡上皮A549细胞，发现颗粒物无论城市来源的还是郊区来源的其可溶性部分并不能刺激细胞产生氧化应激，反而的使细胞超氧阴离子水平降低，只有郊区组颗粒物本身可刺激细胞产生超氧阴离子并促使细胞生存活力下降，提示大气颗粒物可能主要通过颗粒物本身引起细胞氧化应激。DENG等［9］对A549细胞的体外实验显示PM25能通过激活PIK3/AKT信号通路以及引起Nrf-2介导的防御机制来抵抗细胞氧化应激。此前已有相关实验显示Nrf-2/ARE受内源性信号ROS的调节，并且机体可主动适应环境因素介导的氧化应激［10-11］。综上所述，大气颗粒物介导细胞氧化应激是一个复杂的、受颗粒本身及其携带的物质以及体内多种因素共同协调的过程。
4.2 大气颗粒物与炎症
     大气颗粒物介导机体产生炎症应答被认为是颗粒物毒性作用机制之一。国内外多个研究团队的体外实验结果显示，大气颗粒物可刺激细胞TNF-α、IL-6、IL-8多种炎性因子分泌［8］［12］。ZOSKY等［13］将颗粒物制成悬液，通过灌鼻法处理BALB/c小鼠，与对照组相比，实验组小鼠呼吸道MIP-2、IL-6等炎性因子分泌增加，中性粒细胞浸润明显。后续进一步的实验发现颗粒物所携带的铁元素长期作用可刺激多种炎性因子释放［14］。NIU等［15］临床调查也发现人群在富含镍、铜等元素的颗粒的影响下往往表现有血中C-反应蛋白、IL-6等炎性因子水平上调。提示铁等金属元素的长期作用是颗粒物介导机体炎症应答的机制之一。
     巨噬细胞在大气颗粒物介导机体炎症应答方面也同样不容忽视。颗粒物随呼吸运动进入呼吸道定植后，巨噬细胞通过吞噬作用摄取颗粒物形成吞噬体，其中一些较大的和耐溶解的颗粒物不易被巨噬细胞清除。在残存颗粒物刺激下，吞噬细胞释放各种细胞因子、前炎因子以及活性分子，使机体进一步受氧化应激影响［16-17］。Sijan等［18］最近开展的芯片技术检测显示，大气颗粒物可促使大鼠巨噬细胞多种炎症细胞因子的表达异常。
4.3 大气颗粒物与线粒体
     目前研究显示线粒体是受大气颗粒物的影响靶细胞器之一。线粒体DNA拷贝数异常与线粒体受损密切相关，常被用来作为衡量线粒体损伤的一个指标。HOU等 ［19］研究职业暴露对线粒体的影响，通过抽取63名男性冶钢工人的血液标本进行现况调查研究，结果显示在职业高浓度颗粒物环境下，随着暴露时间延长，线粒体DNA拷贝数呈上升趋势。国内学者SHEN等［20］对我国 40个制鞋厂和制衣厂的工人提取的白细胞线粒体内容物检测显示，与参照组相比，处于苯＞10 ppm环境下，线粒体DNA拷贝数提高15%。然而值得注意的是暴露于有机物浓度的不同，线粒体DNA拷贝数也会发生不同的变化。CARUGNO等［21］开展一项研究进一步分析大气颗粒物中有机成分对线粒体的影响，该研究涵盖多个城市的临床调查数据，将受低浓度苯颗粒影响的人群纳入并进行分析。综合各个城市的数据，结论为多个城市人群暴露于低水平的苯环境下，线粒体DNA拷贝数升高。相关的细胞实验也显示氧化应激状态下细胞常表现为线粒体DNA拷贝数增加，线粒体可能是通过这种机制代偿线粒体功能缺陷。然而PIETERS等［22］研究却显示出不同的结果，该研究纳入24个家庭总计46人，观察不同季节室内PM对线粒体的影响。结果显示环境中PAHs浓度越高，受试对象血细胞线粒体DNA拷贝数越少。随后进一步的体外实验显示，受苯并芘影响的人TK6细胞，线粒体DNA拷贝数减少，并且细胞线粒体DNA拷贝数的变化与苯并芘浓度呈反比关系。综上，颗粒物引起的细胞线粒体DNA拷贝数的变化可能存在双重标准。轻度应激下线粒体合成增加、表现为线粒体DNA拷贝数增多，以满足细胞有氧需求，但当细胞处于严重应激状态下，尽管线粒体数目积累的越来越多，但总体的能量合成能力下降，细胞线粒体DNA反而合成减少［19］。
     大气颗粒物还可以影响线粒体调控的内源性凋亡信号途径，细胞在外来异物的刺激下常可触发内源性凋亡。PYLKKNEN等［23］收集不同场所的粉尘颗粒对BEAS-2B细胞进行染尘，结果表明各个场所收集的粉尘颗粒均可引起BEAS-2B细胞ROS水平升高，内源性凋亡检测实验染尘后各个时间段显示Caspase-3活性增强。KAMDAR等［24］实验结果也显示PM25对线粒体调控的凋亡途径的影响。该科研团队用PM2.5处理囊性纤维化疾病来源的支气管上皮细胞，发现PM2.5可导致细胞线粒体膜电位下降，Caspase-9和Caspase-3活性水平升高，并引起细胞DNA片段化。后续的实验验证PM2.5对Bcl-2蛋白家族蛋白的影响，结果显示受PM2.5处理的细胞促凋亡蛋白BAD、Bax表达水平升高，并增强Bax的线粒体转位，而抗凋亡蛋白Bcl-2、Bcl-xl、Mcl-1和Xiap等表达水平并未发生明显改变。在细胞中过表达抗凋亡蛋白Bcl-xl，与对照组相比，过表达组明显抑制PM2.5引起的细胞凋亡。
     大气颗粒物引起的mtDNA损伤与细胞线粒体凋亡途径的激活密切相关。本课题组用人A549细胞和大鼠原代分离的肺泡II型细胞(ATII)研究表明，石棉粉尘引起Δψm的降低呈剂量和时间依赖关系，进而引起细胞色素c从线粒体向细胞质释放并激活Caspase-9，从而导致线粒体功能障碍和细胞凋亡［25］。进一步研究显示在细胞中过表达线粒体靶向DNA修复酶OGG1可减少石棉粉尘颗粒及氧化应激引起的细胞凋亡［26-27］。Sirtuin3具有调节OGG1修复活性和阻止OGG1降解的功能，Sirtuin3基因敲除可引起OGG1降解和修复能力受损，引起线粒体DNA损伤，导致细胞凋亡［28］。此外，在缺少mtDNA的A549-ρ0细胞中，石棉诱导的ROS产生、Caspase-9的活化及内在的细胞凋亡都被阻遏［29］。综上所述，大气颗粒物可通过影响线粒体DNA激活线粒体相关细胞凋亡途径。保护线粒体DNA，维持线粒体基因组的完整性可调节线粒体相关的细胞凋亡。
     5 小结
     国内外流行病学调查研究显示大气颗粒物可提高人群患病率和自然死亡风险。大气颗粒物致病机制极为复杂，与颗粒本身及所携带的成分有关，并可通过介导机体产生氧化应激以及引起机体炎症反应等作用对机体产生影响。线粒体是受大气颗粒物影响的靶细胞器之一。大气颗粒物可造成细胞mtDNA损伤以及触发线粒体途径的凋亡。一些新的分子机制，如颗粒物造成的内质网应激以及一系列相关的致病机制也引起人们的关注。进一步研究大气颗粒物的致病机制将有助于防治大气颗粒物导致的疾病，并可以借鉴相关的知识研究探讨类似的环境致癌物诱发疾病的机理。

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