PM2.5引起氧化應激反應及對心血管疾病的影響

臧文秀，陳 宇，陳 鵬，曹 旋 （.吉林大學中日聯誼醫院心血管內科，吉林 長春 00；.一汽總醫院，吉林大學第四醫院，吉林 長春 00；.長沙市第四醫院，湖南 長沙 40006）

近年來隨著人們生活方式的改變，環境污染的加重，冠心病發病率逐年增高，但其發病機制尚不完全明確。炎性反應與氧化應激可能與血管的內皮損傷存在著一定的聯系，在冠狀動脈粥樣硬化發生、發展中起到了一定的作用。相關調查研究表明：較高濃度PM2.5下，心肌缺血后，活性氧（ROS）能夠與不飽和脂質反應并引發細胞膜脂質過氧化的持續連鎖氧化應激反應，從而引起氧化應激因子濃度的上調，如HO-1、SOD、HQO-1等，在保護動脈粥樣硬化的形成中起著重要作用。

1 PM2.5的定義

PM2.5是指大氣中空氣動力學當量直徑≤2.5μm的顆粒物，也稱為可入肺顆粒物。PM2.5可以由硫和氮的氧化物轉化而成，而這些氣體污染物往往是人類對化石燃料（煤、石油等）和垃圾的燃燒造成的。細顆粒物（PM2.5）進入人體到肺泡后，直接影響肺的通氣功能，使機體容易處在缺氧狀態，對人體多臟器及系統造成嚴重的損傷，從而使心肌細胞缺血缺氧而致動脈粥樣硬化。根據PM2.5檢測網的空氣質量新標準，24小時PM2.5平均值標準值在0～35之間，空氣質量為優；在35～75之間空氣質量為良；75～115之間為輕度污染’在115～150之間為中度污染；在150～250之間為重度污染；＞250及以上為嚴重污染。雖然PM2.5只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣質量和能見度等有重要的影響，嚴重影響了人類的身體健康，必須引起高度重視。

2 動脈粥樣硬化的定義及發病機制

冠心病是冠狀動脈粥樣硬化性心臟病的簡稱，是一種多種因素作用于不同環節所致的疾病，現有研究表明，性別、年齡、吸煙、高血壓、血脂異常、糖尿病、肥胖及家族史等是其致病的主要的危險因素。動脈粥樣硬化性心血管疾病是全球發病和死亡的主要原因［1］，子內皮中氧化低密度脂蛋白（ox-LDL）的沉積是動脈粥樣硬化形成的特征來源和引發劑［2］。有調查數據顯示，動脈粥樣硬化作為一種慢性炎性疾病，其基本機制是氧化還原不平衡，使處于氧化還原狀態的血管壁細胞，細胞因子和黏附分子的差異表達的差異最終導致冠狀動脈粥樣硬化的形成，這可能是動脈粥樣硬化形成中早期的重要事件［3］。單核細胞和淋巴細胞黏附分子表達增加，移入內膜下成為巨噬細胞，氧化LDL-C形成氧化低密度脂蛋白（ox-LDL），導致血管內皮細胞損傷。氧化修飾脂蛋白的巨噬細胞分泌很多生長因子和促炎介質，促進動脈粥樣硬化斑塊的形成及炎性反應的發生。

3 PM2.5與冠心病的流行病學研究

在20世紀30年代，流行病學第一次研究了高水平的空氣污染物和心血管疾病之間的關系。研究表明，當空氣中PM2.5的濃度長期高于10μg／m2，心肺疾病帶來的死亡風險上升6%［4］。另有流行病學研究證實，PM2.5與心血管疾病的發病率和死亡率的增加有著密切關系。在短期內增加空氣污染，一天的時間內，可能會導致心肌梗死，并加劇心臟衰竭，導致死亡［5］。Huang，F等在2013年華東煙霧對中國上海冠心病門診影響的研究中表明，與上海同期相比，CHD門診訪問量增加了 17%（95%CI：4%，28%）［6］。類似的研究結果也表明，霾日的急性心血管疾病日常發生率高于非霾日，急性心血管疾病與霾天數呈正相關［7］。進一步估計調查了廣州短期暴露于霾和空氣污染與入院相關的情況，在中國廣州發生陰霾事件時，心血管疾病每日住院率增加了11%（95%CI：4%，19%）［8］。流行病學證據顯示，空氣污染與女性和男性呼吸系統健康之間存在著不同的關聯。更多的研究報告表明，女性和女孩之間的影響力比男性和男孩都強［9］。Dai，J等在研究2006年到2011年對中國上海的空氣污染與日常OHCDs（院內冠心病死亡）的關系中得出結論，PM10、PM2.5增加使OHCD死亡率分別上升了0.49%，0.68%［10］。大量研究表明，短期和長期暴露于PM2.5下，與人類冠狀動脈粥樣硬化程度之間存在著必要的關系。

4 PM2.5引起心血管疾病的機制

PM2.5引起心血管不良事件的可能機制包括：①誘發全身性炎癥和氧化應激，導致炎性反應水平升高，如C-反應蛋白、促血栓形成和炎性細胞因子的水平增高。PM2.5顆粒優先到達肺泡，隨后引起一系列生理和病理反應，纖維蛋白原在肺泡表面的分泌和炎性細胞的增量積累和通過高濃度PM2.5增強，誘導局部肺部發生炎性反應。最精細的成分（特別是超細顆粒），可以轉運到血液循環系統和心肌細胞中，直接損傷內皮細胞，導致全身多臟器炎性反應［11］。曾有幾位作者認為，血漿纖維蛋白原濃度的增加部分介導了CVD的風險。纖維蛋白原是血漿黏度和CHD的獨立危險因素和重要決定因素［12］，這可能是由于空氣污染引起的炎性反應。PM2.5暴露后，氧化應激啟動了一系列的細胞反應，包括激活轉錄因子和炎性介質的釋放，最終導致細胞損傷或細胞凋亡［15］。②直接轉運到血液中，導致血液黏度增加，血栓形成，斑塊侵蝕，導致動脈粥樣硬化的破裂和加速；在急性和慢性暴露于PM2.5中，已經觀察到增加的氧化膽固醇衍生物，例如7-酮膽固醇，可與炎性細胞因子和二次衍生自PM2.5誘導的血管炎性生長因子相互作用，并促進動脈斑塊形成［11］。PM2.5可以通過上調清除劑受體（如CD36）來促進單核細胞和巨噬細胞的吞噬，導致泡沫細胞的形成增多，隨后泡沫細胞從循環中流動到血管壁經由toll樣受體4機制轉移到血管內皮細胞，從而致其損傷。③另外，PM2.5可以使心臟自主神經系統失調，如心率加快和心率變異性的降低，甚至最終導致心律失常和心臟驟停。通過增加基礎心率或動脈血壓來增加心臟的氧需求［14］，心率變異性降低通常被視為心臟自主神經功能障礙的標志物［13］。然而，這些機制尚未完全明確，但是大多數學者認為細顆粒物導致機體炎性反應及氧化應激反應增強可能是其始動機制。且已有大量實驗研究證實，PM2.5可誘導個體血清氧化應激因子濃度的上調，如HO-1、SOD、HQO-1等，而這些因子保護粥樣斑塊的穩定性、抑制血栓形成從而防止動脈粥樣硬化的形成等作用。

5 氧化應激的概念及影響因素

氧化應激狀態是指其中自由基或活性氧／氮物質（例如O2-、HM2O2、ONOO-）的水平高于正常水平，從而產生對機體許多不利的生物學效應（例如脂質／蛋白質／脫氧核糖核酸［DNA］氧化），引發促炎級聯［16］。正常情況下，ROS在體內不斷產生，調節其體內抗氧化酶處于一定的水平，如超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（GSH-Px）或抗氧化劑（如谷胱甘肽）。在一定的外界因素影響下，如紫外線（UV）輻射、化學品、炎性因子，可導致細胞內ROS產生增加。過量的ROS的產生，超過了抗氧化酶和抗氧化劑的緩沖能力，提示平衡朝向更氧化狀態［17］。ROS和NO在病理生理條件下，反應產生有毒的活性氮，特別是三氧化二砷和過氧亞硝基陰離子（ONOO-），并導致細胞成分（蛋白質）、染色體改變、蛋白質硝化、脂質過氧化及廣泛DNA損傷和DNA鏈斷裂，隨后導致細胞功能障礙和細胞死亡［18］?；A條件下心臟自由基生成低，它通常是生理條件下線粒體電子傳遞鏈（電子）的電子泄漏的結果。缺血再灌注過程中，活性氧明顯增加，來源于線粒體電子傳遞的損失和解偶聯［19］。

6 氧化應激反應與冠心病的流行病學研究

Zhang ZH等在對110例行冠脈造影術的冠心病患者的斑塊形態學分析中，得出氧化應激除了細胞毒性作用，還可影響細胞信號轉導系統，細胞內氧化應激信號選擇性誘導炎性反應相關基因表達（如MAPK信號途徑），通過誘導甚至加劇炎性反應，或與炎癥因子相互作用，從而導致冠狀動脈斑塊的破裂，從而增加了ACS及UA的發病率［20］。由此可見氧化應激反應可通過一系列的途徑影響著動脈硬化的形成與發展。

7 HO－1與動脈粥樣硬化

血紅素-HI系統是內皮細胞完整性和氧化應激的調節因子［21］，是內源性一氧化碳（CO）的限速酶，其將血紅素降解成一氧化碳，膽紅素和鐵［22］。動物實驗和臨床試驗證實，HO-1酶在各種組織和細胞中表達，包括動脈粥樣硬化病變和血管平滑肌細胞。血管內HO-1抑制血栓形成，HO-1在體外抑制血管平滑肌細胞增殖［23］。HO-1作為抗氧化損傷的細胞，其保護防御機制是通過膽紅素及其代謝物膽紅素的抗氧化活性，CO的抗感染、抗纖維蛋白溶解和血管擴張作用［24］。膽紅素是作為一種有效的自由基清除劑，抑制還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶活性［25］。由于膽紅素降低氧化應激，高膽紅素水平與低密度脂蛋白氧化的風險降低有關，并且阻礙了CAD［21］。最近的實驗證據表明，HO-1增產提供細胞保護缺血／再灌注引起的氧化損傷或使用過氧化氫（H2O2）。其中最重要的下游靶激酶磷酸肌醇3-kinase（PI3K），是一個重要的信號分子激活抗凋亡劑，而細胞外signal-regulated激酶（erk）調解的另一個重要信號通路參與抗凋亡作用。一些研究報道，HO-1提供防止各種形式的壓力通過PI3K／Akt的激活或ERK1／2信號通路從而抑制血栓形成［26］，由此可見，HO-1通過多種途徑抑制血栓形成，防止動脈粥樣硬化。

8 SOD與血管舒張

動脈粥樣硬化是冠狀動脈心臟病最常見的病理過程，代表著以內皮功能障礙和斑塊破裂為特征的高度氧化應激狀態［27］。由活性氧介導的氧化應激在動脈硬化的發展中起著重要的作用［28］，過度的ROS產生被認為是心肌IRI中的關鍵主要事件［29］。

SOD已被提出參與抑制動脈粥樣硬化主要是抑制活性氧引起的改變，從而促進內皮依賴性血管舒張，抑制白細胞黏附到血管內皮，并改變血管細胞反應。SOD在NO生物利用度方面非常重要。NO誘導的血管松弛與血壓調節有關。SOD調節血管舒張、血管收縮、血管重塑、心臟肥大和交感神經活動的神經元控制從而調節血壓［30］。室旁核（PVN）中的血管緊張素II型1a受體（AT1aR）參與交感神經過度驅動和高血壓［31］。SOD增強了對神經節阻滯，心臟交感神經活動和心臟交感神經傳入反射的血壓反應，阻止了血漿去甲腎上腺素水平升高，從而起到調節血壓的作用［32］。

9 NQO－1與細胞抗氧化

已有研究表明NQO-1在心血管細胞中高表達，包括大鼠主動脈平滑肌A10和心臟的心肌細胞，以及正常人主動脈平滑肌細胞和內皮細胞，能夠清除心血管細胞中的超氧陰離子（O-2）［33］，誘導NQO-1表達起著重要的作用，作為一個潛在的O-2清道夫，在抑制氧化應激和在動脈粥樣硬化和再狹窄中有著直接抗氧化作用［34］。NQO-1是一種普遍存在的黃素蛋白，功能作為一種抗氧化劑，酶和外源性解毒劑。NQO-1催化醌氫醌，一二電子還原，因此，防止自由基的形成［35］。另一方面，NQO-1也被普遍認為是一種多功能氧化酶參與對電氧化醌代謝外源性細胞防御，NQO-1提供細胞保護自由基損傷、氧化應激作用［36］。有研究表明，NQO-1抑制動脈粥樣硬化主要是通過調節Nrf2（核因子NF-E2相關因子2），在正常氧化條件下，Nrf2是位于細胞質中，綁定到Kelch-like相關蛋白1（KEAP1），從而抑制Nrf2的核易位。在回應氧化應激，Nrf2釋放轉位到細胞核，并激活上述基因的表達，發揮抗氧化保護作用［37］。據有關報道，抗氧化蛋白基因的表達是通過轉錄因子Nrf2活化調節，并進一步上調Nrf2及其靶基因，并最終引發NQO1激活各種抗氧化酶從而防止動脈粥樣硬化的進展［38］。

10 現狀與展望

雖然空氣污染導致心血管疾病的患者病情急性加重的病理生理機制尚不能完全解釋，例如炎性反應是由多個人體暴露研究于空氣污染引起的，但是不確定是否氧化應激是由顆粒引起的炎性反應介導的，是否是炎性反應加劇了氧化應激反應；雖然從細胞培養和動物實驗的結果表明，氧化應激參與其發病機制，人類暴露于環境顆粒物和氧化應激以及冠心病之間的關系的證據仍然缺乏，這種缺乏部分來自測量人體暴露于環境污染物濃度和評估對健康產生的影響［39］，但隨著科學技術的發展及大量相關的人體及動物實驗證據，此項理論會逐漸被人所證實，從而進一步了解PM2.5致心血管疾病的機制，從而防治冠心病，減少空氣污染天氣下冠心病的發病率。

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