氣溫及大氣顆粒物與慢性阻塞性肺疾病急性加重關系的研究進展

邱巧靜 顧芬

同濟大學附屬上海市肺科醫院腫瘤科200433

伴隨著工業化和都市化的快速發展,全球氣候的異常變化,極端天氣氣候頻發,由顆粒物引發的霧霾天氣發生頻率也明顯增多,對人類的健康造成了一定影響。國內外學者研究相關氣溫及污染物與人類健康的流行病學也成為熱點問題之一[1]。近年來我國經濟日益發達,城市化腳步也日益加快,居民生活日益變好的同時,也更關注居住環境和健康之間的關系。本文旨在綜述國內外學者對大氣污染物,特別是細顆粒物 (fine particles matter,PM2.5)對人體造成的損害認識及各地區當地大氣污染物與疾病急診關系的調查研究,認識大氣中污染物的暴露可能增加居民的急救風險,特別是PM2.5濃度的升高可能增加呼吸系統疾病的急性加重風險。為環保整治力度,加快能源改革,發展清潔能源,減少大氣污染物排放,促進居民健康提供依據。

1 顆粒物的概念及來源

中國研究人員在20世紀80年代開始對大氣顆粒物開展研究工作。而2012年2月29日, 《環境空氣質量標準》(GB3095-2012)作為國家標準才正式發布。為配合其實施,《環境空氣質量指數 (AQI)技術規定 (試行)》也一同問世。從2011年開始被公眾關注和熱議的PM2.5成為國家標準。標準定義顆粒物又稱塵,指大氣中的固體或顆粒狀物質。PM2.5是指空氣中直徑≤2.5μm 的可吸入顆粒物,也稱為細顆粒物或可入肺顆粒物[2]。與較粗的大氣顆粒物相比,PM2.5粒徑小,約是頭發絲的1/20,是肉眼看不到漂浮的顆粒物。顆粒物這個概念于1997年由美國最早提出,當時主要是為了監測工業排放的廢氣中所含有害的細小顆粒物。PM2.5大氣污染源主要分為兩種,一是人為因素污染源,二是自然因素污染源。人為因素的污染源主要指人類的各種生產活動,這些顆粒主要來源于人類長久發電、工業生產、汽車尾氣排放等過程中經過燃放排放的殘留物。自然因素污染源主要指細菌、植物花粉、土壤揚塵等,同時自然災害事件也會造成PM2.5大氣污染[2-3]。

2 慢性阻塞性肺疾病急性加重 (acute exacerbation chronic obstructive pulmonary disease,AECOPD)的概念及環境因素

2.1 AECOPD 的概念 COPD 是一種嚴重危害人類健康的常見病、多發病。《慢性阻塞性肺疾病急性加重診治中國專家共識 (2017 年更新版)》[4]指出,COPD 居全球死亡原因的第4位,預計到2020年將升至第3位。2012年有超過300 萬的患者死于COPD,占全球全部死亡人數的6%[5]。而AECOPD 是COPD 患者死亡的重要原因。

2.2 AECOPD 的環境因素 流行病學調查發現空氣污染尤其是10μm 和2.5μm 左右的微顆粒濃度。PM10(指空氣中直徑≤10μm 的可吸入顆粒物,漂浮在空中的固態和液態顆粒物的總稱[2])、PM2.5與AECOPD 發病有關,研究發現尤其是PM2.5與AECOPD 密切相關。PM2.5誘發肺部炎癥和系統性炎癥,產生氧化應激反應,影響患者的呼吸系統的免疫功能、呼吸系統的微生物生態以及心血管系統。陳瀟[3]研究表明環境空氣污染最大的受害者是呼吸系統。大氣污染物中的顆粒物PM2.5可直接吸入并深透肺泡引起嚴重的肺功能的紊亂,并且會沉積于肺泡最深的上皮細胞中,引起人體的原發性或繼發性疾病。但是,PM2.5的毒理機制尚不明確。研究[4]發現PM2.5通過上調IL-6表達、活性氧產生和凋亡誘導人體支氣管上皮細胞炎癥反應、氧化損傷和細胞死亡。PM2.5特異性誘導一氧化氮合酶2的表達和生成,提高過度自噬,最后,破壞一氧化氮合酶2信號有效地阻止自體噬細胞體的形成和隨后細胞死亡。快速誘導炎癥反應,氧化損傷促使人體支氣管上皮細胞死亡[5-6]。PM2.5的暴露是影響呼吸系統健康的一個重要危險因素[7-8]。AECOPD診治中國專家共識 (2017年更新版)表示,今后充分研究PM2.5誘發的AECOPD,能夠優化AECOPD 的處理,并可能降低急性加重的風險。對于減少AECOPD 發生頻率和住院次數的預防措施,除藥物預防治療外,非藥物預防的措施戒煙、控制污染、家庭氧療等也非常重要。

3 氣溫及大氣顆粒物對AECOPD的影響

PM2.5對人體的危害主要分為三個方面,一是對人體的危害,PM2.5大多含有重金屬等有毒物質,吸入人體后直接進入支氣管,干擾肺部的氣體交換,甚至深入并沉淀在呼吸性細支氣管和肺泡,其中更細小成分甚至可穿透肺泡,引發包括哮喘、支氣管炎和心血管病等方面的疾病,影響身體健康,增加病死率。二是對經濟的影響,由于PM2.5的原因導致的早死造成了嚴重的經濟損失,同時也有可能影響我國的對外貿易。三是對交通的影響,PM2.5能夠降低大氣能見度,阻礙交通通暢運行,嚴重的可能造成惡性交通事故。近年來由于工業化迅速發展,PM2.5已經成為全球特別是中國嚴重的問題。它可能導致各種呼吸系統疾病和住院病死率的增加[3]。與粗顆粒相比,PM2.5體積較小,表面積較大,更容易運輸傳播,這意味著更多的毒性和有害物質可以深入人體。而嚴寒或酷暑等極端天氣與顆粒物協同作用更是對人體的健康,特別是呼吸、心血管及免疫系統造成很大影響。

3.1 細顆粒PM2.5對AECOPD 影響的國內研究 1996年,趙毓梅和楊文敏[9]開展不同粗細顆粒物對大鼠的肺毒性研究發現,直徑＜2.5μm 的顆粒物對呼吸系統的損傷最大。徐宏輝等[10]于2014年11月至2015年11月研究分析了針對浙江省主要的兩大城市杭甬地區,大氣氣溶膠中含碳氣溶膠的季節性變化和它們的來源。含碳氣溶膠是大氣PM2.5的重要成分,在城區顆粒物中所占比例可達到40%[11]。在杭甬地區,冬季靜穩的氣象條件下會積累更多的PM2.5顆粒物。寧波城區以汽車尾氣和化石燃料為主,化石燃料的燃燒是污染物的主要來源。但是,浙江地區對碳氣溶膠的研究相對比較缺乏。Song等[12]在對人的健康負擔研究中,發現PM2.5與病死率有顯著相關性。對2015年死亡患者中分析,因PM2.5濃度的增加,導致COPD 患者死亡的占18.7%。Lin等[13]在中國PM2.5研究新進展的文章中提出,因為工業化迅速發展,能耗高,PM2.5污染已經成為中國嚴重的問題。它可導致肺源性心臟病、呼吸系統、心血管疾病的發病率增加,而且研究還得出室內PM2.5的濃度與室外的高PM2.5濃度相關聯。翟文慧等[14]收集了2013年3月至2014年3月北京多中心臨床病例急診數據與同時期北京環境監測中心的大氣細顆粒污染物和氣象條件數據資料采用病例交叉設計研究方法進行數據分析表明,PM2.5與日均氣溫、相對濕度呈正相關。PM2.5污染對慢性支氣管炎、哮喘、COPD 急診影響的OR值最大。在調整控制當日氣溫、相對濕度的影響后,單向回顧性1∶1配對病例交叉分析結果PM2.5日平均濃度每升高10μg/m3,OR值為1.035。研究[15]結果得出大氣污染物可以作為刺激物引起呼吸道的防御性反應,例如刺激其黏液分泌增多以及引起支氣管的高反應性,加重氣道不完全可逆性阻塞。PM2.5導致肺組織的氧化損傷,引起肺部炎癥和免疫反應。PM2.5可以作為潛在的氧化劑而產生自由基引發氧化應激反應從而造成肺細胞的損傷。南京一項[16]從2014 年3 月至2017年2月對9個國家環境監測點收集的PM2.5數據應用綜合暴露反應模型評估PM2.5導致的早死、壽命損失和死亡之間的關聯研究表明,長期暴露在PM2.5環境下,腦卒中、心血管疾病、COPD 疾病病死率高,且男性和老年人病死率高于女性和青少年。隨著民眾健康和環保意識的增強,對空氣質量越來越關注,PM2.5的話題迅速升溫。而通過對PM2.5現狀的分析,及時掌握PM2.5的動態,及時做出防控措施,在一定程度上改善人類的生存環境,盡可能避免對人體造成傷害。

3.2 細顆粒PM2.5對AECOPD 影響的國外研究 1952年英國倫敦煙霧事件,使大氣顆粒物引起科學工作者的關注。之后的幾十年,大量的研究表明顆粒物對呼吸系統有影響。美國的一項36城市的研究表明[17],在溫暖季節,PM10每增加10 g/m3會導致COPD 入院率增加0.84%;在波士頓的一項關于大氣污染與急診人次的研究表明[18],黑碳、PM2.5、CO 與肺炎急診人次的關聯有統計學意義。對美國東岸幾大州的大區域范圍的顆粒物暴露對醫院入院就醫研究表明[19],所有呼吸系統疾病、心血管疾病、缺血性心臟病、COPD 和中風的入院與PM2.5暴露有關。美國26個社區心血管疾病、心肌梗死、充血性心力衰竭、呼吸系統疾病與急診入院之間的關聯研究[20],發現其與PM2.5空氣污染及其組成有關。對韓國首爾城市空氣顆粒物與不明原因病死率的滯后效應模式的差異分析發現[21-22],呼吸系統死亡的病患受死亡日空氣污染水平的影響。暴露于空氣污染對健康的不利影響值得我們深入探討。全球環境變化研究聯合中心研究人員[23]指出,因為城市化和工業化引發的大氣污染成為了全球性的問題。2014～2017年對中國、印度和美國的PM2.5和PM10進行了調查顯示,美國的顆粒物含量最低,而中國表現出較高的濃度,印度顯示最高。中國和印度有較強的季節性趨勢,PM2.5濃度遵循明顯的年周期,冬季最高,夏季最低。在中國,污染最嚴重的月份是12月份,7月份最低。不利的氣象條件,如慢風、高濕度和低邊界高度可促進PM2.5的累積[23-24]。中國PM2.5與人體健康關系的研究,充分證明了PM2.5可導致肺源性心臟病的發病率增加,呼吸系統疾病和心血管疾病等[13,25]。中國PM2.5的問題嚴重,它嚴重威脅著居民的健康。但是,與發達國家相比,在中國PM2.5和疾病的研究仍落后。

3.3 氣溫對AECOPD 影響的相關研究 國內外研究表明,AECOPD 與氣象因素也有很密切的關聯,且存在明顯的季節變化。美國一項[26]大樣本數據研究,氣溫被認為是呼吸系統疾病惡化的一個危險因素。急性呼吸事件和原有呼吸系統疾病的加重更可能發生在極端溫度期間。隨著高溫和寒潮,AECOPD 的患者病情加重和/或死亡頻率增加。國內多個省份有類似的研究結果,陳新等[27]、劉宏煒和馬江偉[28]、王哲等[29]、趙雨馨[30]、李亞琳和楊艷麗[31]研究發現當地的氣候對COPD 的影響,具有緊密的相關性,氣溫降低的冬春季是AECOPD 的重要誘因。

3.4 氣溫及PM2.5協同作用與COPD 關系的研究進展 張瑩等[32]對北京3家三甲綜合醫院2009年1月1日至2011年12月31日急診科病例資料分類整理,結合大氣環境監測和氣象資料數據,發現全急診人數,呼吸系統和循環系統疾病患者急診就診人數高峰均出現在氣溫高且PM2.5高濃度的情況下,由此可見,高溫和PM2.5對人群健康的影響存在協同加強效應。低溫和溫差較大時,顆粒物可增加呼吸系統急癥的風險。蘇暢等[33]開展的大氣污染物與呼吸系統疾病急診就診關系的病例交叉研究顯示,大氣污染物濃度的升高可以導致呼吸系統疾病急診人次的增加。中國臺灣地區[34]的一項研究也證實,日溫差可以增加COPD 患者的發病風險。北京市、深圳市和淄博市的調查研究日均氣溫協同顆粒物與呼吸系統疾病急診人次之間呈 “V”字相關,急診人次會隨著日均氣溫的變化而變化,都會增加呼吸系統的疾病急診風險[34-36]。

4 思考與展望

PM2.5不僅是環境問題,而且也是經濟、社會和民生問題,乃至政治問題[37]。空氣污染物及其對人群健康的危害并不是孤立存在的,而是特定的氣象條件下發生的[38]。我國大氣污染的發生是長期大氣污染排放增加和短期氣象條件變化共同作用下促發的,對人體健康的影響也是長期慢性影響和短期急診危害共存、污染和氣象因素交叉作用復雜,其中仍有很多未知的科學問題值得密切關注和不斷深入研究和探索。關于氣溫及顆粒物濃度對AECOPD 影響的研究仍較少,大氣顆粒物對機體的影響不同,在不同地區、同一地區不同季節其成分差異很大。浙江省寧波市長三角南翼經濟中心,經濟日益發達,城市化腳步也日益加快,有必要以浙江省寧波市為研究城市,探討顆粒物暴露對AECOPD 的影響,為大氣污染對居民健康影響及其治理提供理論依據。

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