細顆粒物2.5 致癌作用的研究進展

黃蘭川，劉進，于鵬，蔡永林

1 右江民族醫學院公共衛生與管理學院，廣西 百色 533000

2 桂林醫學院臨床醫學院，廣西 桂林 541000

3 梧州市紅十字會醫院臨床醫學研究中心，廣西 梧州 543000

4 梧州市腫瘤防治中心預防醫學部，廣西 梧州 543000

空氣污染是全球面臨的問題，顆粒物是空氣污染物之一，給人類健康帶來嚴重影響。2013 年，國際癌癥研究機構將室外空氣污染中的顆粒物歸類為一類致癌物[1]。大氣細顆粒物2.5（particulate matter 2.5，PM2.5）是一種粒徑≤2.5 mm 的顆粒物，其來源廣泛，表面附著黑碳、多環芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbon，PAH）化合物、有毒金屬元素及致病菌、病毒等有害物質，通過直接攝入、皮膚接觸、呼吸作用等途徑進入人體而危害健康。PM2.5 暴露可對人體的呼吸系統、心血管系統等造成損傷，引起疾病，甚至促進腫瘤的發生發展。近年來，PM2.5 暴露引起腫瘤的負擔越來越重。研究報道，從1990—2019 年，肺癌年齡標準化死亡率的顯著上升主要歸因于每日室外PM2.5 的暴露[2]。還有許多研究報道了PM2.5 暴露與肺癌、肝癌、乳腺癌等多種腫瘤有關的流行病學及實驗證據，說明長期的PM2.5 暴露與腫瘤的發病有密切聯系。本文對近年來PM2.5 暴露的致癌作用以及PM2.5 與多種腫瘤的關聯證據進行綜述，以期為PM2.5 致癌機制研究和腫瘤防治工作提供參考。

1 PM2.5 的致癌成分

PM2.5 是一種混合物，其所攜帶的成分有黑碳顆粒、PAH、重金屬等。PM2.5 致癌是由黑碳顆粒輔助PAH 和重金屬離子等致癌物發揮作用的。黑碳顆粒是一種高度芳香性的多孔物質，對有機污染物具有較強的吸附能力，可攜帶有毒、致癌化合物進入人體，嚴重危害健康[3]。一項探索PM2.5 中黑碳顆粒對腫瘤發生影響的隊列研究表明，隨著空氣中黑碳顆粒暴露的累積，所有部位腫瘤的發生風險提高1.17 倍，肺癌發生風險提高1.31 倍[4]。黑碳顆粒相當于PM2.5 攜帶致癌物質的載體，隨著黑碳顆粒暴露的積累，誘導細胞癌變的物質長期作用于正常細胞，使腫瘤發生風險增加。PM2.5結合的PAH 是導致PM2.5 暴露的主要致癌物質。PM2.5 中PAH 共有16 種，如芘、苯并芘、苯并熒蒽、苯并蒽等成分[5]。Chen 等[6]建立細胞模型用于評估長期PM2.5 暴露的致癌潛力，結果顯示，PM2.5結合的PAH 中的特定成分在誘導細胞惡性轉化和調節腫瘤標志物表達過程中起關鍵作用。然而，PM2.5 的污染源受季節和區域的影響而各不相同，所以其成分含量有所差別，致癌風險也不同。例如石家莊市采暖期和非采暖期的PM2.5 中PAH 平均濃度存在差異，但不同時期大氣PM2.5 中的PAH 對所有人群均具有潛在致癌風險[7]。段慧玲[8]的研究中，太原、北京、杭州及廣州4 個城市的PM2.5 中PAH 含量有所不同，但均存在不同程度的致癌風險，在不同季節，太原組的PAH 含量均大于其他組，且太原組的致癌風險高于其他3 組，太原組是北京組的3.89 倍，是杭州組的11.80 倍，是廣州組的15.00 倍。研究發現，PM2.5 中的重金屬存在致癌潛力。多位學者采用美國環境保護署推薦的健康風險評價模型對PM2.5 中金屬元素的健康風險進行評價，一般分為非致癌風險和致癌風險。常見的非致癌風險元素有鐵、鋁、鋅、錳、銅、硅等，致癌風險元素有砷、鉻、鎘、鎳等。同樣，受地區和季節的影響，PM2.5 中金屬元素的種類及含量也有所不同，不同地區的致癌金屬在致癌風險上存在差異[9-12]。吳慶瑤等[13]的研究中，常州某工業區PM2.5 中的鉛、鈷、鎘、鎳對人群的致癌風險較小，可忽略不計，而砷、鉻致癌風險較高。而張璐涵等[14]的研究中，德州市PM2.5 中的鉻、砷對人群均存在潛在致癌風險，鎳被認為不存在致癌風險，濟南市PM2.5 中鉻、砷、鎳均存在潛在致癌風險。PM2.5 對不同人群的影響存在差異，研究發現，金屬對兒童的致癌風險最高，成年男性次之，成年女性最低。而李玉霞等[15]研究表明，金屬對成年人的致癌風險高于兒童。對于PM2.5 中的PAH，超額致癌風險隨著年齡的增加而增大[16]。對于腫瘤患者，PM2.5 對兒童和老年人的生存預后影響更大[17]。研究結論的不一致，可能因各地的PM2.5 中成分占比不同，且致癌潛力還可能受到人們生活方式、PM2.5 接觸量等因素的影響，各地發現的致癌物質對不同人群的致癌潛力存在差異。上述研究提示PM2.5 中攜帶對人類致癌的多種成分，致癌潛力受到其成分種類以及含量的影響，而這些致癌成分來源于當地的大氣污染物。PM2.5中的致癌物質其實是空氣中的有害物質，PM2.5 起到了聚集這些有害物質的作用，從而更易進入人體。因此，環境治理在限制空氣污染物排放的同時，也應該重視空氣中已經存在的對人體有害物質的治理。

2 PM2.5 的致癌作用

2.1 誘導相關基因表達

腫瘤的發生與癌基因的異常表達密切相關，PM2.5 暴露通過誘導相關基因的異常表達、干擾細胞正常代謝及生物學行為、誘導細胞的惡性轉化來促進腫瘤的發生發展。Chen 等[18]發現，代謝相關基因二氫硫辛酰胺S-乙酰轉移酶（dihydrolipoamide S-acetyltransferase，DLAT）具有誘導非小細胞肺癌發生發展的潛在作用，PM2.5 誘導DLAT高表達，促進糖酵解，誘導腫瘤發生，且抑制腫瘤細胞凋亡，增強腫瘤的惡性程度。PM2.5 還誘導Erb-B基因啟動子區域的甲基化和調節Erb-B基因的表達，激活Erb-B 蛋白信號轉導，調控下游生長因子受體結合蛋白2（growth factor receptor bound protein 2，GRB2）/RAF 通路和蛋白激酶B（protein kinase B，PKB，又稱AKT）/MDM2 通路，對腫瘤的新生血管生成和細胞凋亡發揮重要作用[19]。此外，通過對癌癥基因組圖譜（The Cancer Genome Atlas，TCGA）數據庫的數據進行分析，PM2.5 暴露可調控斯鈣素2（stanniocalcin 2，STC2）基因的表達，目前已證實STC2 在不同腫瘤中的表達存在差異，與腫瘤發展具有顯著關聯。PM2.5 上調了STC2 的蛋白表達和轉錄水平，影響腫瘤的發生發展、免疫浸潤和預后[20]。這提示PM2.5暴露可誘導相關基因異常表達，引起基因轉錄和翻譯效率變化，誘導甲基化等，促成腫瘤發生的條件，影響腫瘤患者的預后。

2.2 調節信號通路

信號通路參與調節細胞的增殖、分化、凋亡及免疫調節等過程。PM2.5 暴露通過激活相關的信號轉導，干擾細胞的生物學行為，誘導惡性轉化，例如上皮-間充質轉化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）過程。EMT 與腫瘤細胞侵襲、遷移、腫瘤干細胞更新和治療耐藥性等腫瘤發展過程有關[21]。已知Notch 信號通路在調控腫瘤新生血管生成、EMT、腫瘤干細胞更新等方面起重要作用[22]。研究報道，PM2.5 暴露通過激活Notch1 信號通路，降低E-鈣黏蛋白的表達，提高波形蛋白、多能維持因子等蛋白水平，促進細胞惡性轉化和維持腫瘤細胞的干細胞特性[23]。另外，WNT/β-聯蛋白（β-catenin）通路是一條經典的信號轉導途徑，參與調控細胞生長、分化、遷移、凋亡過程，是導致腫瘤發生發展的重要途徑。而PM2.5 暴露時，A549 細胞的β-catenin 和磷酸化糖原合酶激酶3β（phosphorylationglycogen synthase kinase 3 beta，p-GSK3B）表達增加，激活了WNT/β-catenin 信號通路，誘導抑癌基因p16甲基化，增加細胞EMT 相關蛋白的表達，從而促進肺癌細胞的侵襲、遷移[24]。研究發現，黏著斑激酶（focal adhesion kinase，FAK）/磷脂酰肌醇3 激酶（phosphoinositide 3-kinase，PI3K）/AKT 信號通路也與腫瘤的EMT 有關。PM2.5 暴露增強了FAK/PI3K/AKT 信號轉導，促進了腫瘤細胞EMT 的進展，同時還增強乳腺癌細胞的增殖、侵襲和遷移能力，加快乳腺癌的轉移[25]。由上述研究報道可知，PM2.5 可直接作用于細胞間重要的信號轉導，增強信號通路的表達，促進EMT 進程，增強腫瘤細胞的增殖、侵襲和遷移能力。

2.3 影響相關蛋白、信號分子的表達

PM2.5 暴露影響蛋白、信號分子的表達，誘導腫瘤細胞增殖、遷移、新生血管生成和EMT 等過程。例如PM2.5 暴露升高了細胞黏附分子1、白細胞介素（interleukin，IL）-24 和細胞色素P450 的表達水平，調節細胞的代謝、增殖和分化等；PM2.5還能干擾細胞-底物連接、細胞-細胞連接和黏附灶等細胞生物學行為，誘發腫瘤的發生[26]。此外，在PM2.5 的刺激下，IL-6[27]、IL-17a[28-29]、ATP 檸檬酸裂解酶（ATP citrate lyase，ACLY）[30]等物質的表達水平升高，可干擾能量代謝過程，促進細胞的惡性轉化、EMT 和腫瘤內新生血管生成，增強腫瘤細胞的增殖、遷移能力。PM2.5 結合的硝基多環芳烴（nitro-polycyclic aromatic hydrocarbons，NPAH）還使腫瘤抑制因子[大腫瘤抑制激酶（large tumor suppressor kinase，LATS）1/2]失活，導致Yes 相關蛋白（Yes-associated protein，YAP）去磷酸化和核轉位，YAP 與TEA 結構域轉錄因子（TEA domain transcription factor，TEAD）相互作用并介導腫瘤細胞的遷移和黏附，從而促進腫瘤轉移[31]。PM2.5 的暴露使重要的代謝酶、細胞因子表達異常，甚至使腫瘤抑制因子失活，干擾正常的細胞代謝，促進腫瘤的發生發展。

3 PM2.5 與腫瘤發生發展關系的流行病學及研究進展

3.1 PM2.5 與腫瘤發生發展關系的流行病學證據

研究發現，PM2.5 暴露與腫瘤的發病風險及生存預后有關。一項PM2.5 與腫瘤發病率關系的回顧性隊列研究表明，PM2.5 年平均濃度每增加10 μg/m3，胃癌、內分泌癌、乳腺癌、肺癌的發病風險均增加。另外，關于室外顆粒物空氣污染與消化系統腫瘤發生風險的系統評價和Meta 分析表明，PM2.5 暴露與總體胃腸道腫瘤（RR=1.12，95%CI：1.01～1.24）的發病風險增加有關，且與肝癌（RR=1.31，95%CI：1.07～1.56）、結直腸癌（RR=1.35，95%CI：1.08～1.62）發病風險增加的關聯性最強[32]。PM2.5 暴露不僅會增加腫瘤的發生風險，還會提高腫瘤患者的死亡風險。有研究報道了PM2.5 暴露對腫瘤患者生存預后的影響。Lee 等[33]探索肝癌患者PM2.5 暴露與死亡率之間的關系，結果表明，生活環境中PM2.5 年平均暴露濃度≥36 μg/m3的肝癌患者死亡率高于生活環境中PM2.5年平均暴露濃度＜36 μg/m3的患者，累積生存率則相反。對于從未吸煙者而言，PM2.5 暴露濃度每增加10 μg/m3，肺癌的發病率（HR=1.32，95%CI：1.12～1.56）和死亡率（HR=1.28，95%CI：1.01～1.63）均會升高[34]。由此可見，生活環境中的PM2.5 濃度與腫瘤的發生及死亡風險相關，長期的PM2.5 暴露成為各種腫瘤發病及預后差的原因之一。

然而近年來的報道中，關于PM2.5 暴露對乳腺癌的影響結果不一致。對于乳腺癌的發生風險，一項美國的前瞻性隊列研究發現，PM2.5 暴露濃度的四分位數間距增加3.6 μg/m3與導管原位乳腺癌（HR=1.16，95%CI：1.02～1.31）發生風險有關，但對于浸潤性乳腺癌，可能因地理上的差異，PM2.5 暴露濃度升高與浸潤性乳腺癌（HR=1.14，95%CI：1.02～1.27）發病的關聯僅出現在美國西部地區[35]。乳腺癌患者生存預后方面，DuPré等[36]的研究表明，總體上，顆粒物暴露與乳腺癌的特異性死亡無關，但PM2.5 與乳腺癌生存率的關聯因疾病分期而異，PM2.5每增加10 μg/m3，Ⅰ期乳腺癌患者的特異性死亡風險升高1.64 倍，Ⅱ期和Ⅲ期患者未增加風險。然而，Zhang 等[37]的Meta 分析結果表明，PM2.5 暴露濃度每增加10 μg/m3，乳腺癌的死亡風險增加1.17 倍，但未觀察到乳腺癌發生風險與PM2.5 暴露有關。總的來說，PM2.5 暴露會增加多個部位腫瘤的發病風險，且使腫瘤患者的預后更差，增加死亡風險。但PM2.5 暴露對乳腺癌的影響還存在不同結論，需要進行更多地區和種族人群的PM2.5 暴露對乳腺癌影響及作用機制等方面的研究。

3.2 PM2.5 與腫瘤發生發展關系的實驗研究證據

研究發現，肺組織內顆粒物大多數是碳質顆粒，且多數直徑在0.8 μm 左右，其中含有多種大氣來源的PAH 和金屬元素，如苯并熒蒽、二苯并蒽、蒽、芘、苯并芘、鋁、鐵、鉛、錳、銅、鉻、砷、鎳等；顆粒物中的PAH 會向肺、血管和遠端器官浸潤擴散，造成急性毒性損傷[38]。除急性毒性作用外，向體內器官擴散的PM2.5 還可通過干擾細胞的正常代謝，誘導細胞惡化。體外細胞實驗顯示，用PM2.5處理A549 細胞和H1975 細胞，可觀察到細胞內脂滴積累，干擾細胞脂質代謝，使細胞遷移速度更快且更具有侵襲性[39]。另一項細胞實驗結果顯示，在PM2.5 誘導下，活化的巨噬細胞可上調血管內皮生長因子表達，從而增強新生血管生成能力；同時，這也在小鼠實驗中得到驗證，PM2.5 增強已注射腫瘤細胞的小鼠的新生血管生成和巨噬細胞募集能力[40]。PM2.5 還可增強腫瘤相關因子如外泌體的作用，加速腫瘤形成。實驗研究顯示，與未經PM2.5 處理的外泌體相比，PM2.5 處理的外泌體激活了WNT/β-catenin 信號通路，誘導腫瘤細胞增殖，還增強A549 細胞和H1975 細胞的侵襲和遷移能力[41-42]。體外實驗結果顯示，在0～50 μg/ml 范圍內，隨著PM2.5 暴露濃度增加，A549、HepG2、A498等腫瘤細胞的侵襲、遷移能力也增加[43]。基于研究發現，PM2.5 暴露可造成機體急性毒性損傷，同樣引起慢性毒性損傷，具有細胞毒性以及誘導腫瘤細胞增殖、侵襲和遷移的致癌潛力[44]。

4 小結與展望

目前已有研究顯示，PM2.5 暴露可誘導腫瘤相關基因的表達，調節細胞間的信號轉導，影響與生物學行為相關的蛋白、信號分子的表達，促進細胞的惡性轉化，增強腫瘤細胞的增殖、遷移和侵襲能力，從而促進腫瘤的發生發展并影響預后。許多研究報道了PM2.5 暴露與腫瘤的關系，均顯示PM2.5 暴露與多個部位的腫瘤發生風險相關。但PM2.5 致癌還有許多問題尚未清晰，例如PM2.5 中各成分的致癌機制、各成分之間是否存在交互作用或者中介效應等。而且腫瘤的發生還受遺傳、生物因素以及社會環境等因素的影響，PM2.5 的致癌程度還需進一步深入研究。目前的研究中，人群PM2.5 的暴露濃度都以空氣中平均濃度水平來描述，與個體的真實暴露情況可能存在一定的差距，未來應進一步探索個體PM2.5 真實暴露情況與腫瘤發生的關系。為控制其他因素的影響，可以進行毒理學實驗結合隊列研究來探討PM2.5 致癌機制和PM2.5 對腫瘤發生的影響程度。雖然近年來全國各地的空氣質量有所改善，空氣中PM2.5濃度稍微下降，但長期暴露于PM2.5 仍會嚴重威脅健康，因此除了減少污染源，還應重視空氣中存在的PM2.5 及其他有害物質的凈化處理。