大氣PM2.5損傷呼吸系統健康的潛在機制

李晶 陳晶晶 張念志

環境空氣顆粒物(PM)是影響空氣質量和人體健康的重要物質，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)、細顆粒物(PM2.5)和超細顆粒物 (PM0.1)。2018年5月，世界衛生組織(WHO)評估結果公布[1]，2016年全球約有 91% 的人口生活所在地區的空氣質量水平超過 WHO《空氣質量準則》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，而這些過早死亡又主要發生在中低收入國家。大氣污染同時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%的中風死亡、25%的心臟病死亡與大氣污染有關。目前已有大量研究證實，PM2.5對呼吸系統的影響較大[2-5]，因其表面積更大，易吸附有毒物質和重金屬，傳播距離更遠，在大氣中停滯時間更長，并能進入肺泡終端甚至血液循環。為探究PM2.5致病的潛在機制，筆者試從病理生理學機制和細胞與分子學機制兩個層面來進行探討。

病理生理學機制

一、損傷肺組織

PM2.5是顆粒物到達肺泡的臨界值，粒徑小于2.5微米的顆粒物，會進入細支氣管、肺泡，再通過肺泡壁進入毛細血管，從而進入整個血液循環系統。不同地區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，在某些污染嚴重的地區還會吸附重金屬和塵埃顆粒等，這些被吸附的有毒顆粒可以直接進入肺泡，長時間滯留，很難被清除排出，因此，肺是PM2.5致病的直接靶器官。Jiang[5]等研究發現，PM2.5氣管滴注小鼠肺組織，可見炎癥細胞浸潤和肺泡間隔增厚，而CARD9介導的(輔助T細胞17)Th17/Treg(調節性T細胞)分化，可能在PM2.5誘導的肺損傷中起重要作用。De Barros Mendes Lopes等[6]研究認為，PM2.5可致肺彈性增高，肺泡數量減少，從而導致呼吸功能異常，并且PM2.5可以通過影響子宮內的生物分子DNA損傷及其調控、炎癥反應，最終導致成年小鼠肺泡數量減少，肺功能受損。Yang[7]等通過動物實驗發現，經口鼻暴露系統吸入高濃度PM2.5后，大鼠肺實質明顯水腫，肺泡上皮細胞部分損害，黏液層中的纖毛細胞及刷細胞等細胞出現損傷或死亡。Wang[8]等通過體內外實驗發現，慢性PM2.5暴露小鼠肺組織病理顯示支氣管上皮細胞非典型增生，當在體外通過抑制劑RO4929097阻斷了Notch信號通路后，PM2.5長期暴露A549(人非小細胞肺癌細胞)和BEAS-2B(人正常肺上皮細胞)中的EMT(上皮-間質轉化)和CSC(癌癥干細胞)特征得到抑制。

二、黏液纖毛清除系統功能損傷

黏液纖毛清除系統是呼吸道重要的防御機制之一，主要由黏液腺細胞、纖毛細胞、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、0.3%～0.5%脂質以及1%的無機鹽。健康人氣道上皮細胞的80%為纖毛細胞，纖毛運動功能異常將導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、纖毛運動減慢，從而誘發多種呼吸系統疾病[9，10]。Zhao[11]等通過PM2.5吸入暴露系統將慢性鼻-鼻竇炎(CRS)兔暴露于環境PM2.5中，發現CRS家兔的纖毛破壞加重，杯狀細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。

1 氣道粘液高分泌 MUC5AC蛋白是一個重要的小氣道上皮大分子粘蛋白，參與調控氣道黏液的分泌[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[13]等研究發現，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水平和杯狀細胞增生顯著增加。Huang[14]等研究發現，WSPM2.5(木煙來源的PM2.5)在大鼠氣道中引起明顯的粘液細胞化生和MUC5AC產生，并推測WSPM2.5誘導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了持續的粘液過度分泌。Feng[15]等認為芳香烴受體(AhR)參與PM2.5促氧化和促炎作用的分子機制，采用經鼻吸入法使大鼠暴露于1328±730 μg/m3濃縮環境顆粒中，結果發現大鼠氣道上皮黏液分泌及MUC5AC表達增加，而高濃度氫氣可減少環境PM2.5暴露大鼠的氣道黏液高分泌，減輕芳香烴受體誘導的肺損傷。

2 肺內水平衡失調 PM2.5對呼吸系統的毒理作用主要表現為急性肺損傷，即肺泡和肺間質水腫伴高蛋白液體。AQP1是一種具有轉運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,對調節肺水平衡起著關鍵作用,與急性肺水腫的形成和清除密切相關[16]。李文可[17]等研究表明，PM2.5暴露可導致肺上皮細胞A549及大鼠肺組織中AQP1的表達水平顯著升高,并伴有肺組織水腫。Cui[18]等研究發現，氣管內推注PM2.5(4 mg/kg b.w，溶于50μL PBS中)24h以后，電鏡觀察肺細胞PM2.5沉積和線粒體腫脹，并可見肺和PMN(多形核白細胞)彌漫性肺泡內水腫。而這一病理過程可能為PM2.5誘導多形核白細胞(PMN)浸潤以及內皮細胞及其配體上VCAM-1的表達，從而加劇了顆粒物誘發的肺損傷。

3 纖毛運動功能減弱 纖毛是上皮細胞頂端伸出的毛狀突起，直徑約0.2um，長約5～10um，上呼吸道每個纖毛上皮細胞約有250～270根纖毛，其主要作用是推進上皮表面的液體、微生物、灰塵或黏液膜。纖毛擺動是在 ATP 提供動能情況下，微管做滑行運動產生的，纖毛以 12～15HZ 向前向后擺動構成了整個纖毛擺動周期，當纖毛向前擺動時，將動能輸送到頂端粘液層，有毒物質排出[19]。 段爭[20]等研究發現，PM2.5暴露后，大鼠支氣管纖毛出現排序紊亂、粘連和瘀斑，大鼠對肺炎克雷伯菌感染的易感性增加，細菌清除率減低。其機制可能與支氣管黏膜纖毛系統受損及細胞因子的相互作用有關。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CRS加重的病理生理機制。

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，是細胞能量代謝和物質轉化的核心，是外界不良刺激的重要靶器官。N??v[21]等研究發現，PM2.5暴露后的HTR-8細胞透射電鏡下可見線粒體空泡化、聚集的細胞骨架、染色質凝聚、擴張的內質網結構和自噬體，并且在暴露細胞的線粒體內膜內觀察到PM2.5顆粒的攝取。Zhou[22]等研究發現，PM2.5暴露增加了血紅素加氧酶1(HO-1)的表達和線粒體轉位，從而減少了細胞色素C從線粒體釋放到胞質，這一過程會阻礙PM2.5誘導的細胞凋亡并加快自噬相關細胞壞死。

四、代謝組學變化

目前已經有許多代謝組學研究證實，PM2.5暴露與代謝紊亂具有相關性，長期或短期暴露于PM2.5均會導致全身代謝譜變化[23]。有學者研究發現[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暴露會誘導肺部炎癥反應，導致呼吸系統疾病的發生。Li[26]等研究證實，PM2.5氣管滴注小鼠肺組織代謝譜發生顯著變化，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和能耗，致能量代謝紊亂，并最終表現為肺損傷。

細胞與分子機制

一、炎癥反應

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

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胞、嗜酸性粒細胞、巨噬細胞、中性粒細胞和淋巴細胞的數量，并且降低小鼠肺組織中抗氧化酶含量，通過上調microRNA-206的表達導致ROS水平升高。Zou[28]等研究發現，PM2.5通過Wnt5a/Ror2信號傳導誘導人支氣管上皮中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。

二、氧化應激

氧化應激與慢性阻塞性肺病、支氣管哮喘、特發性肺纖維化等呼吸系統疾病關系密切。大氣環境的變動、污染物的刺激、炎癥反應等均能使機體產生大量自由基，誘導肺損傷。肺內的主要氧化物包括ROS(活性氧族)和RNS(活性氮族)。ROS包括氧直接或間接轉變的氧自由基和活性高的非自由基氧代謝產物，如H2O2(過氧化氫)、OH·及ROO·、ROOH(有機過氧化物)等比氧活潑的物質。它可以通過脂質過氧化作用，對核酸和蛋白質的損傷來損傷肺組織。氧化應激指標主要包括四類[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氧化應激損傷標志物：LOOH(脂質氫過氧化物)、8-OHdG(8-羥化脫氧鳥苷)等。

Li[30]等研究發現，PM2.5處理后的人肺泡上皮細胞細胞凋亡和活性氧(ROS)生成增加，miR-486(微小RNA)的表達降低，而miR-486模擬物可以負反饋調節這一過程。徐貞貞[31]等將支氣管上皮細胞暴露于PM2.5 24h以后，細胞內ROS水平及JAK2、STAT3的基因表達均高于對照組，認為PM2.5可引起支氣管上皮細胞氧化損傷，進而通過氧化應激調節上皮細胞JAK/STAT信號通路及相關細胞因子，造成細胞損傷。

三、DNA 損傷

關于PM2.5致DNA損傷的機制，目前有三種猜想。一是PM2.5通過氧化應激使機體產生過多的ROS，而這一進程會氧化核酸，特別是DNA,使其機構改變，功能喪失，從而啟動細胞凋亡或類凋亡死亡程序。二是PM2.5通過破壞生物膜(如細胞膜及細胞器膜等)，使膜內介質如水溶酶釋放入胞質，造成細胞損傷。三是PM2.5所攜帶的某些化合物，如多環芳烴(PAHs)和硝基化合物(如硝基-多環芳烴、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]等通過動物實驗表明，PM2.5暴露可以通過ERK-DNMT途徑增加CD4+T細胞中IFN-γ基因啟動子的DNA甲基化來加劇過敏性鼻炎。Niu[33]等研究發現，PM2.5暴露后的人支氣管上皮細胞可見DNA鏈斷裂、染色質損壞，當PM2.5濃度增加至116.9μg/mL時，OGG1，XRCC1和PARP1等DNA修復基因的表達顯著增加。Yang[34]等研究發現，敲除OGG1(一種DNA修復酶)可加重PM2.5損傷小鼠的肺纖維化、氧化應激和2型肺泡上皮細胞(AEC2s)死亡，而NF-κB抑制劑可促進PM2.5損傷后OGG1缺陷的AEC2s細胞增殖和自我更新，并減弱PM2.5誘導的小鼠肺纖維化和損傷。

四、細胞自噬

細胞自噬是細胞對內外界環境壓力變化的一種反應，是對細胞內物質周轉的重要過程，它通過自身細胞膜包裹損壞的蛋白或細胞器形成自噬小體，與溶酶體結合形成自噬溶酶體，最終被溶酶體降解，完成自身代謝及細胞器更新。細胞自噬受到復雜的信號傳導網絡調控，機體的炎癥反應及氧化應激均可誘導細胞自噬的發生。

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

小 結

綜上，PM2.5可誘發機體的炎癥反應及氧化應激，其攜帶的有毒成分可能致DNA變性，而炎癥反應、氧化應激及DNA變性又可誘發細胞自噬，四者相互聯系，貫穿在肺組織損傷的整個過程中，并且炎癥反應及氧化應激被認為是PM2.5誘導肺損傷的主要機制。其病理機制可以概括為，PM2.5致氣道粘液高分泌，肺組織水腫，纖毛運動系統功能失常，黏液纖毛清除系統功能損傷，而全身代謝組學的改變可能與線粒體功能損傷及細胞膜的破壞密不可分。

近年來PM2.5所致各系統損傷逐步被學者驗證，各種西藥如NAC(乙酰半胱氨酸)、維生素E、高分子透明質酸、氫氣等也被證實對PM2.5造成的損傷起到一定的預防及治療作用。然而現有的對PM2.5致病機制的探索并不全面，相關藥物的研發也受到一定的局限，亟待更深層次研究來探討各個猜想之間的相關性，為防治PM2.5所致呼吸系統疾病提供更有力的理論依據。