大氣細顆粒物與心功能的研究進展

侯永麗，秦 綱，任棟華，呂吉元

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大氣細顆粒物與心功能的研究進展

侯永麗，秦 綱，任棟華，呂吉元

隨著經濟的發展、人民生活水平的提高，空氣污染對健康的影響受到社會各界的日益關注。大氣細顆粒物(fine particulate matter，PM2.5)由于粒徑小及較大的危害性等特點成為目前研究的熱點。PM2.5的短期(數小時或數天)暴露增加了因充血性心力衰竭、心肌梗死、急性冠脈綜合征等心血管疾病住院的風險。流行病學調查表明，PM2.5暴露與心力衰竭關系最為密切。本研究綜述細顆粒物與心功能的研究進展。

心血管疾病；心力衰竭；PM2.5；心功能

1 大氣細顆粒物(fine particulate matter，PM2.5)

大氣污染來源可分為自然現象產生和人類活動排放兩種，前者包括火山噴發、森林大火及沙塵暴，后者主要包括交通工具燃料燃燒排放的尾氣及人類生活、工業活動過程中燃煤、燃油產生的煙塵，其中后者是大氣污染的主要來源。

顆粒物(particulate matter，PM)是大氣污染物的一種，是指懸浮在大氣中的固體或液體顆粒樣物質。PM是反映大氣質量的重要指標，可造成大氣能見度低、酸雨形成，暴露于PM可導致住院率和死亡率的增加[1]。近年來我國各地頻繁出現霧霾天氣，PM作為霧霾天氣的“元兇”，引起了社會各界的重視。PM根據粒徑大小分為可吸入顆粒(PM10)、細顆粒物(PM2.5)、超細顆粒物(PM0.1)。PM對人類健康的危害與其粒徑有關。PM10的粒徑為2.5 μm～10 μm，進入人體后主要沉積在鼻腔和上呼吸道。PM2.5是指粒徑≤2.5 μm的顆粒物，其粒徑比人一根頭發的1/20還細，在PM中占70%[2]。有研究表明，對人類健康危害較大的金屬元素主要黏附在粒徑≤2.5 μm的PM表面，且PM粒徑越小，比表面積越大，表面黏附的金屬元素越多[3]。PM2.5由于其粒徑小，傳輸距離遠(>100 km)、在大氣中停留時間長，并能夠進入肺泡發揮毒性作用，因而對大氣環境質量和人類健康影響最為嚴重。流行病學調查顯示，與PM10相比，PM2.5對人類健康的危害較大[4]，因此目前對顆粒物的研究主要集中在PM2.5上。2011年我國環境保護部門首次公布中國PM2.5標準，年均及日均水平分別為0.035 mg/m3和0.075mg/m3，2013年我國開始全國范圍內監測PM2.5的濃度。

2 心力衰竭

2.1 概述 心力衰竭是指由于心臟結構或功能異常而導致的心排血量不能滿足機體組織代謝的需要，臨床表現以肺循環或(和)體循環淤血，器官及組織血液灌注不足為主的一組綜合征。心力衰竭是一個日益受到重視的公眾健康問題，是許多心血管疾病如高血壓病、冠心病、心肌病等的終末階段，全球受其影響的人數超過2 300萬。心力衰竭的年住院率為2%，出院后一年內死亡率為30%。在老年病人中，心力衰竭是多次住院的最常見原因，占出院診斷的5%[5]。心力衰竭的主要病因是原發性的心肌損害和心臟負荷過重，前者主要包括缺血性心肌損害、心肌炎、心肌病及心肌代謝障礙性疾病，后者包括后負荷過重(高血壓病、主動脈瓣狹窄等)及前負荷過重(心臟瓣膜關閉不全、造成血液分流的先心病等)。對于有基礎疾病的病人，其心力衰竭的癥狀常由增加心臟負荷的因素誘發如感染、心律失常等[6]。

2.2 心力衰竭的病理生理機制 心力衰竭時病理生理變化主要有以下四個方面：①代償機制： 主要包括Frank-starling機制、神經內分泌系統的激活(交感神經興奮性增強及腎素-血管緊張素-醛固酮系統激活)及心肌肥厚；②心肌病理性重塑：心肌重塑是心力衰竭發生發展的基本病理機制；③心臟舒張功能不全；④體液因子的改變：心力衰竭時體液因子參與心血管系統的調節，并在心肌和血管重塑中發揮重要作用。這些體液因子包括精氨酸加壓素、利鈉肽類、內皮素、細胞因子等[7]。有研究表明，心力衰竭時心功能的不斷惡化與心肌細胞減少有關，而凋亡是心肌細胞減少的主要原因[8]。

3 PM2.5與人類健康

3.1 PM2.5與心血管疾病 隨著社會工業化進展、私家車數量的增加、能源消耗增多，空氣污染加劇并逐漸上升為危害人類健康的重要原因。空氣污染使老年人患肥胖、高血壓、慢性肺疾病及心血管疾病的風險加倍[9]。長期或短期暴露于空氣污染會對健康造成各種損害，尤其是心血管系統和呼吸系統。近年來研究顯示，PM2.5對心血管系統的危害程度大于呼吸系統[1]。PM2.5急性暴露導致心血管疾病和呼吸系統疾病的死亡風險分別為69%和28%[10]。WHO將PM2.5列為引起全球死亡的第13位原因，每年導致將近80萬死亡事件[11]。數據分析表明，PM2.5濃度每增加10 μg/m3，疾病總死亡率風險增加6.2%，心血管疾病死亡率風險增加10.6%[12]。2010年AHA將PM2.5定義為導致心血管疾病發生和死亡的可控危險因素[1]。流行病學研究發現，空氣中PM2.5濃度升高易誘發心律失常、動脈粥樣硬化等心血管疾病，并使心力衰竭加重和缺血性心臟病惡化[13]。國外學者對50萬成年人進行16年隨訪發現：PM2.5水平升高10.5 μg/m3，缺血性心肌病、心律失常及心臟性猝死的發病風險增加8%～18%[4]。老年人、尚未診斷的冠心病及心臟結構異常的病人是PM2.5致心血管疾病的易感人群，這些人群暴露于PM2.5數小時至數天發生心血管疾病的風險會極大地增加[1]，尤其是暴露于冬季的PM2.5。冬季由于燃煤增多，大氣污染更嚴重，PM2.5表面吸附大量硝酸鹽、有機碳(多環芳烴含量多)、金屬元素(鉛、鐵、鋅、釩、鋁、鉻等)等有毒有害物質，對人類健康的危害更大[14]。國外研究表明，老年且有心力衰竭傾向的大鼠暴露于空氣污染時易發生心臟復極化異常、心率變異性降低和緩慢心律失常[15]。Ying等[16]發現將大鼠暴露于高濃度的PM2.5 6個月后，大鼠血壓升高。有學者對波士頓心血管疾病病人進行隨訪發現，PM2.5濃度每增加10.5 μg/m3，血壓增加2.8 mmHg[4]。空氣污染和血壓升高都增加了患心血管疾病的風險。

3.2 PM2.5與心力衰竭

3.2.1 PM2.5致心力衰竭的流行病學研究 PM2.5與心力衰竭等心血管疾病的相關性已經成為人們的共識。Dominici等[17]對1999年—2002年某地區住院病人進行統計分析發現，接觸PM2.5和心力衰竭的關系最密切。一項關于PM2.5短期暴露與心力衰竭風險的調查顯示：PM2.5每增加10 μg/m3，因心力衰竭住院或死亡的風險將增加2.12%，患有充血性心力衰竭、高血壓、心律失常的病人處于最高風險[18]。PM2.5長期暴露與心力衰竭發病率的關系還有待進一步研究。國外學者調查發現，PM2.5濃度降低至5.8 μg/m3，美國每年因心力衰竭住院的人數減少了7 978例，并可減少了將近3億美元的醫療投入[18]。

3.2.2 PM2.5致心力衰竭的實驗室研究 Yan等[19]對異丙腎上腺素誘導的心肌損傷的大鼠氣管內滴注柴油燃燒顆粒(DEPs粒徑大約0.2 μm，是PM2.5的主要組分)，對照組給予生理鹽水氣管滴注，24 h后行心臟超聲檢查發現，DEPs組大鼠縮短分數明顯降低，左室舒張末內徑明顯增大。心臟超聲結果表明急性暴露于DEPs導致大鼠左室功能受損，對于已有心肌損傷的大鼠，左室功能受損更顯著。這一結果預示著對于處在心功能代償期的病人，暴露于PM2.5會誘發心功能的惡化，導致心功能失代償，出現心力衰竭的癥狀及體征，進而需要住院治療。國外學者將正常小鼠暴露于PM2.5長達9個月后發現，小鼠心率、血壓都有明顯升高，心臟超聲結果示左室舒張末內徑及收縮末內徑增加，收縮期左室后壁增厚減少，二尖瓣E/A比值降低，這一系列結果表明心肌收縮舒張功能都有一定程度的減弱。對心肌細胞體外實驗發現，細胞收縮舒張功能受損。實驗證據表明正常大鼠長期暴露于PM2.5后出現早期心力衰竭的心臟結構功能的改變[20]。國內學者對心肌梗死模型大鼠氣管滴注PM2.5溶液后發現，與對照組相比PM2.5溶液組大鼠心功能惡化加劇，短期死亡率增加[21]。

3.2.3 PM2.5致心力衰竭的可能機制 雖然PM2.5引起心功能的減退是肯定的，但具體機制尚未完全闡明。大量實驗室證據表明，PM2.5導致的失代償性心力衰竭可能與交感神經過度激活及血管收縮舒張功能異常有關[5]。PM能夠迅速激活交感神經、抑制副交感神經，影響自主神經的平衡，進而導致呼吸節律、心率、心率變異性的改變。

心率變異性是反映心臟自主神經調節功能的指標。心率變異性的降低預示著心臟自主調節功能紊亂，因心律失常而發生猝死的風險增加[22]。短期或長期暴露于空氣中的PM2.5破壞內皮依賴的血管舒張功能。短期研究表明肺吸入PM2.5數小時后，白細胞釋放髓過氧化物酶(MPO)導致血管功能紊亂[23]，血液中MPO濃度越高對血管內皮功能破壞越嚴重。長期研究顯示暴露于PM2.510周后，全身血管阻力和血壓都增高[24]，心臟后負荷加重，急性失代償性心力衰竭風險增加。PM2.5可通過促進心肌病理性重構及心肌纖維化使有心臟基礎病變的病人心功能進一步惡化[20]。Aztatzi等[25]對暴露于PM2.5的SD大鼠進行分子生物學機制上的研究發現，長期暴露于PM2.5可誘導SD大鼠肺臟及心臟RAAS相關基因的表達，血管緊張素Ⅰ型受體(AT1R)是PM作用的分子靶點。血管緊張素Ⅱ主要通過激活AT1R發揮生理作用。在心血管疾病如高血壓、動脈粥樣硬化、心肌梗死及心力衰竭的發生發展過程中都有RAAS的過度激活。Cao等[26]在研究PM2.5對大鼠心肌細胞H9c2毒性作用時發現，大鼠心肌細胞暴露于PM2.5時，心肌細胞活性下降，細胞凋亡率增加，PM2.5可通過下調Bcl-2/Bax比值、激活caspase-3及MAPK信號通路誘導細胞凋亡。PM2.5還可通過促進氧化應激、肺部及系統的炎癥反應、血管內皮功能紊亂、動脈粥樣硬化及血液高凝血栓形成等途徑損傷心血管系統[1]。

4 結 語

全球漫延的大氣污染增加了數百萬易感人群心血管疾病的發病風險。空氣污染導致的心血管疾病是最嚴重的全球健康問題之一。PM2.5是誘發和加重心血管疾病尤其是心力衰竭的重要危險因素，但其具體致病機制尚不明確，因此對PM2.5致心力衰竭的機制研究顯得尤為重要，這樣才能有效預防和治療PM2.5對人類健康的危害，從而提高人類健康水平。

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(本文編輯王雅潔)

山西省自然科學基金項目(No.2013011050-4)；山西省留學人員科研資助項目(No.2013-112)

山西醫科大學第一醫院(太原030001 )

呂吉元，E-mail： flyms9@126.com

R541 R256.2

A

10.3969/j.issn.1672-1349.2016.21.011

1672-1349(2016)21-2505-03

2015-12-30)

引用信息：侯永麗，秦綱，任棟華，等.大氣細顆粒物與心功能的研究進展[J].中西醫結合心腦血管病雜志，2016，14(21)：2505-2507.