大气PM2.5与健康：从暴露、危害到干预的系统研究进展

吴少伟，邓芙蓉

（北京大学公共卫生学院劳动卫生与环境卫生学系，北京 100191）

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大气PM2.5与健康：从暴露、危害到干预的系统研究进展

吴少伟，邓芙蓉

（北京大学公共卫生学院劳动卫生与环境卫生学系，北京 100191）

吴少伟，博士，2012年毕业于北京大学公共卫生学院，毕业后赴哈佛大学医学院和布朗大学沃伦阿尔伯特医学院从事博士后研究工作。2015-2016年，在哈佛公共卫生学院任助理研究员。在研究生和博士毕业后工作期间，一直从事环境与健康和流行病学方面的研究，主要采用环境暴露评价及流行病学研究方法，探索空气污染、饮食等环境因素暴露所导致的人群短期和长期健康危害及风险。目前，已在国际和国内学术期刊发表论文60余篇，其中SCI收录48篇。多篇论文发表后得到国内外媒体的广泛关注，部分论文被发表杂志选为封面论文或配发评论/新闻稿。

大气PM2.5污染已成为危害人群健康的重要环境问题之一，如何对其健康危害进行识别并采取有效措施进行预防是当前国内外研究的热点。我国大气PM2.5污染水平较高，准确评价个体对大气PM2.5的暴露水平是开展深入研究的基础。大气PM2.5污染来源广，组成成分复杂，可通过多种生物学机制引起一系列短期和长期健康危害。目前，国内外采用的主要研究方法包括流行病学人群研究和毒理学研究。此外，大气PM2.5健康危害的干预研究方兴未艾，是未来重要的研究方向之一。

大气PM2.5；个体暴露；健康危害；干预

随着我国经济和城镇化的快速发展，大气污染对健康的危害已成为大家关注的焦点问题。有研究估计，国内大气污染仅在2010年即造成2 523万伤残调整生命年的损失，是继营养、高血压和吸烟之后危害中国人群健康的第四大危险因素［1］。大气细颗粒物PM2.5是目前我国大部分城市的首要大气污染物，其对健康危害如何进行识别并采取有效措施进行预防是当前国内研究的热点。本文针对近年来大气PM2.5暴露及健康危害的国内外研究现状及未来的研究趋势进行简要阐述。

1 大气PM2.5的个体暴露评价

准确评价人体对大气PM2.5的暴露水平是深入研究其健康危害的基础。既往多数流行病学研究采用大气固定监测点的数据代替个体暴露水平，或在考虑其他可能影响暴露水平的因素如交通流量和道路类型的情况下采用土地使用回归模型进行较准确的估计［2］。近年来出现采用卫星观测数据估计个体对大气PM2.5暴露的新方法［3］。但由于个人一天中大部分时间是在室内度过，室外污染物向室内的渗透特点及时间活动模式的个体差异对大气污染物的实际暴露水平影响显著。上述采用大气固定监测点数据或卫星观测数据的暴露估计方法较为粗略，一般未考虑室外污染物向室内的渗透及个体时间活动模式对个体暴露的影响。在国内目前的大气污染条件下，科学评价个体对大气PM2.5的实际暴露水平，以便更准确地估计相应的健康危害是一个亟待解决的问题。

国内有研究者对此问题进行了有益探索。最近完成的一项研究以慢性阻塞性肺部疾病（慢阻肺，COPO）患者为研究对象，采用定组研究（panel study）设计，收集了研究期间研究对象住址附近大气固定监测点的每日环境数据，重复测定了其肺功能水平并记录了其时间活动模式；之后在考虑窗户开关时间、建筑物的朝向、年龄、室内通风情况等因素后，计算室内PM2.5随室外PM2.5浓度的变化，进而较准确地计算出个体对大气PM2.5的暴露水平［4］，并同时评估其可能的健康风险。研究结果显示，依据上述方法估计的大气PM2.5个体日均暴露水平明显低于大气固定监测点记录的每日PM2.5水平，前者与研究对象肺功能水平的关联强度较后者弱，提示单纯采用大气固定监测点的监测数据代替个体暴露水平可能会高估大气PM2.5的短期健康危害。但是上述研究只估计了个体对室外来源的大气PM2.5的暴露及健康危害，未能考虑个体对室内来源PM2.5的暴露及相应的健康影响，因此，值得未来研究进一步探索。

2 大气PM2.5的短期健康危害

目前，国内已开展的多数研究主要关注大气污染包括PM2.5短期暴露的健康危害和相关机制，采用的主要方法包括流行病学人群研究和毒理学研究。流行病学人群研究又包括观察大气污染与健康终点事件（死亡率和入院率等）关联的时间序列研究和病例交叉研究，以及探索大气污染亚临床健康危害的定组研究和实验性研究等。其中针对大气PM2.5短期暴露与健康终点事件（死亡率和入院率等）关联的研究证据已比较充分［5］，因此，以下仅对PM2.5与短期亚临床健康危害的研究和相关的毒理学研究进行概述。

2.1 大气PM2.5短期亚临床健康危害的生物标志物

大气PM2.5亚临床健康危害研究一般是通过选择与疾病的发生进展有密切关联的某些生物标志物，间接评价大气PM2.5对不良健康结局的可能影响机制。选择与重点疾病有密切关联又可敏感地捕捉到大气污染效应的生物标志物，是国内外研究者面临的一个难题。目前，国内已有不少研究关注大气PM2.5对机体多种生物标志物水平的影响，其中使用较多的生物标志物包括呼出气一氧化氮、心率变异性、血压和反映炎症和氧化应激的循环生物标志物等［5］。有学者也尝试探索使用新型的生物标志物，如有研究者在原有呼出气一氧化氮的基础上，进一步选择呼出气硫化氢来探讨大气污染对慢阻肺患者气道炎症的影响［6］。呼出气一氧化氮是反映气道炎症的经典指标，其表征的气道炎症以嗜酸性粒细胞增多为特点；而呼出气硫化氢与气道狭窄的发病机制有关，也可用于表征慢阻肺患者的气道炎症，但此型炎症中嗜酸性粒细胞增多不明显［7］。研究者发现，不同大气污染物包括PM2.5与慢阻肺患者上述2种呼出气生物标志物的短期升高均有显著关联。与呼出气一氧化氮相比，呼出气硫化氢与大气污染的关联受气温的影响较小，提示呼出气硫化氢可作为捕捉大气污染短期不良呼吸效应的一种较新颖的敏感生物标志物［6］。至于呼出气硫化氢在除了慢阻肺患者以外的其他人群中是否也能够敏感地捕捉到大气污染的影响还需要进一步验证。

2.2 不同来源大气PM2.5及其化学组分的短期健康危害

国内大气污染具有复合型污染特点，大气PM2.5中含有一次污染和二次污染成分，同时具有来自不同污染物排放的多种化学成分，可能对PM2.5本身的毒性产生不同影响。同时，不同的PM2.5化学成分也可能引发机体特异的生物学反应，进而导致各种健康危害。国内已有不少研究者采用流行病学或毒理学研究方法对大气PM2.5不同化学成分和污染源的短期健康危害及其机制进行了探索，且关注点多着重于大气PM2.5及其成分对呼吸和心血管系统损伤的效应机制，发现大气PM2.5或其组分暴露可引起包括肺功能、肺部和循环系统炎症、免疫功能、氧化应激、心脏自主神经功能、血压、血管内皮功能、凝血功能以及脂质代谢等途径在内的一系列机制性变化［5］。值得一提的是，近年来已有研究开始探索大气污染影响人体健康的新型机制，如表观遗传标记变化。既往大量研究已经发现，表观遗传标记之一DNA甲基化改变与老化、癌症和心血管疾病等有关，而环境暴露因素可能通过改变DNA甲基化影响机体健康［8］。例如，人体细胞中线粒体DNA缺乏损伤修复机制，更易受到活性氧自由基的损害而产生DNA甲基化改变［9］，而大气颗粒物等环境因素可能通过引起机体产生活性氧自由基导致DNA损伤，进而影响机体健康［10］。此前一项研究选择了3组不同国家（含中国）的研究对象，测定其对空气颗粒物的暴露水平及线粒体DNA的甲基化水平，发现富含金属的颗粒物与线粒体DNA的2个位点（MT-TF和MT-RNR1）的甲基化有显著正相关，而空气苯暴露和黑炭暴露则与这两个位点的甲基化无关，提示线粒体DNA特定位点的甲基化与环境暴露成分有关［11］。未来针对大气PM2.5的健康危害机制研究可进一步深入探索相关的表观遗传变化等新型生物标志物，以期为揭示PM2.5的健康危害模式提供证据。

2.3 大气PM2.5短期健康危害的毒理学研究

毒理学研究是明确大气污染健康危害和机制的重要方法，可为流行病学的研究提供有力的证据支持。例如一项实验性研究发现，一组年轻健康个体短期暴露于交通环境中的PM2.5及其主要成分之一——黑炭可引起短期内心率变异性显著降低，提示心血管自主调节功能减弱［12］。而另一项动物毒理学研究则发现，小鼠在暴露于较高浓度黑炭时心率变异性水平较低［13］。这与人群试验研究结果相互印证，证明了黑炭是引起机体心率变异性降低的关键成分之一。另一项体外毒理学研究将人体支气管上皮细胞暴露于大气PM2.5，分析PM2.5不同化学成分和污染源与细胞活性氧产物的关系，发现二次污染成分（硫酸盐与硝酸盐）与实验中观察到的活性氧产物的变化关联最强［14］。与上述发现相呼应的是，一项人群定组研究也发现机体抗氧化酶活性与大气PM2.5中的硝酸盐等成分有显著性关联［15］。未来针对大气PM2.5健康危害的研究应有机结合流行病学研究和毒理学研究，进行综合深入的探索，以便阐明特定的科学问题。

3 大气PM2.5的长期健康危害

国外大量研究表明，长期暴露于大气PM2.5可能引起一系列健康危害，但国内关注大气PM2.5长期暴露及其健康危害和机制的研究尚不多见。有研究者采用人工控制的实验方法，分别将2组小鼠长期置于大气颗粒物（含PM2.5）和过滤空气的暴露环境下，并同时给予相同的高脂饮食，观察暴露引起的慢性健康危害［16］。研究发现，暴露于大气颗粒物的小鼠与暴露于过滤空气的小鼠相比，血清总胆固醇和低密度脂蛋白水平较高，主动脉弓的病理性斑块较大，提示大气颗粒物暴露可能促进动脉粥样硬化进展。在流行病学研究方面，国内目前已有少量回顾性队列研究为大气PM2.5暴露的慢性健康危害提供了初步证据，然而因研究本身存在较多的局限性使研究结果的外推能力受限。这些局限性包括研究的回顾性质导致暴露和健康信息的收集存在偏倚、缺乏大气PM2.5的长期监测数据以及使用替代方法估计的PM2.5暴露水平存在较大误差等［5］。因此，有必要开展前瞻性的流行病学队列研究，收集大气PM2.5的长期监测数据及人群健康资料，精确描述研究人群对PM2.5的长期暴露特征及相关的慢性健康危害，为合理制订大气PM2.5的长期质量标准及预防其长期健康危害提供科学依据。

4 大气PM2.5健康危害的干预研究

采取有效措施预防大气污染包括PM2.5的健康危害也是目前的一个重要研究方向。除了在政府层面设立严格的大气质量标准及大力推进节能减排措施之外，采用何种个体化措施降低大气污染的健康危害也值得研究者深入探索。国内已有研究者使用随机交叉的试验设计，观察一组冠心病患者在使用和不使用高效率过滤口罩2种情况下暴露于颗粒物污染后的心血管健康状况［17］。研究发现，佩戴口罩显著降低了个体对大气PM2.5等污染物的暴露水平，并改善了患者的心血管健康状况，具体表现为患者自报心血管症状减少、心电图ST段压低（缺血表现）减少、平均动脉压降低以及心率变异性升高等。国内研究者还使用随机化双盲交叉的干预研究设计，试验性地观察使用空气净化器降低一组年轻健康个体对室外来源PM2.5的暴露情况及健康影响［18］。研究发现，在室内使用空气净化器可降低PM2.5浓度＞50%，并可引起循环炎症和凝血生物标志物、血压及呼出气一氧化氮水平的显著降低，提示干预措施可产生明显的短期心肺健康效益。国外有研究者还采用了营养干预方法，观察某些饮食补充剂对抗大气污染的保护性作用。如有研究者使用随机双盲对照试验方法，观察ω-3脂肪酸补充剂（鱼油）对抗大气浓缩PM2.5及超细颗粒物健康危害的作用，发现食用鱼油改善了研究对象的心率变异性和脂质代谢［19］。不过上述干预措施是否可产生长期健康效果，以及是否有其他简易可行的个体化措施可达到类似的健康保护效果，目前尚不明确，有待进一步探索。

5 结语

综上所述，目前国内针对大气PM2.5暴露及健康危害的研究取得了一些成果，也出现了一些新的研究热点。不过相对欧美国家而言，国内的相关研究起步偏晚，研究的广度和深度均有所欠缺。鉴于国内较高的大气PM2.5污染水平以及较大的人口规模，不同来源污染暴露及其可能引起的健康危害和复杂机制不容忽视。因此，未来有必要在现有研究基础上，加强与国外研究者的交流合作，汲取先进经验并加以创新，结合使用多种研究方法，深入探索大气PM2.5的理化性质和人群暴露特征、相关的短期和长期健康危害及机制以及有效的个体化预防措施，从而为改善公众健康提供科学依据。

参考文献：

［1］Yang G，Wang Y，Zeng Y，Gao GF，Liang X，Zhou M，et al.Rapid health transition in China，1990-2010：findings from the Global Burden of DiseaseStudy2010［J］.Lancet，2013，381（9882）：1987-2015.

［2］ Levy JI，Clougherty JE，Baxter LK，Houseman EA，Paciorek CJ，HEI Health Review Committee. Evaluating heterogeneity in indoor and outdoor air pollution using landuse regression and con⁃strained factor analysis［J］.Res Rep Health Eff Inst，2010，286（152）：5-80.

［3］Kloog I，Nordio F，Coull BA，Schwartz J.Incorpo⁃rating local land use regression and satellite aero⁃sol optical depth in a hybrid model of spatiotempo⁃ral PM2.5 exposures in the Mid-Atlantic states［J］.Environ Sci Technol，2012，46（21）：11913-11921.

［4］Ni Y，Wu S，Ji W，Chen Y，Zhao B，Shi S，et al. The exposure metric choices have significant im⁃pact on the association between short-term expo⁃sure to outdoor particulate matter and changes in lung function：findings from a panel study in chronic obstructive pulmonary disease patients［J］.Sci Total Environ，2016，542（Pt A）：264-270.

［5］Wu S，Guo X.Air pollution and its health effects in China［M］//Hazardous Air Pollutants-Case Studies from Asia.State of Florida：CRC Press，2016：3-46.

［6］Wu S，Ni Y，Li H，Pan L，Yang D，Baccarelli AA，et al.Short-term exposure to high ambient air pollu⁃tion increases airway inflammation and respiratory symptoms in chronic obstructive pulmonary dis⁃ease patients in Beijing，China［J］.Environ Int，2016，94：76-82.

［7］Zhang J，Wang X，Chen Y，Yao W.Exhaled hydrogen sulfide predicts airway inflammation phe⁃notype in COPD［J］.Respir Care，2015，60（2）：251-258.

［8］Hou L，Zhang X，Wang D，Baccarelli A.Environ⁃mental chemical exposures and human epigenetics［J］.Int J Epidemiol，2012，41（1）：79-105.

［9］Valinluck V，Tsai HH，Rogstad DK，Burdzy A，Bird A，Sowers LC.Oxidative damage to methyl-CpG sequences inhibits the binding of the methyl-CpG binding domain（MBD）of methyl-CpG bind⁃ing protein 2（MeCP2）［J］.Nucleic Acids Res， 2004，32（14）：4100-4108.

［10］Lu XL，Zhang XR，Deng FR，Guo XB.Systemic oxidative stress induced by intratracheal instilling with PM10 in rats［J］.J Peking Univ，2011，43（3）：352-355.

［11］Byun HM，Panni T，Motta V，Hou L，Nordio F，Apostoli P，et al.Effects of airborne pollutants on mitochondrialDNA methylation［J］.PartFibre Toxicol，2013，10：18.

［12］Huang J，Deng F，Wu S，Lu H，Hao Y，Guo X. The impacts of short-term exposure to noise and traffic-related air pollution on heart rate variability in young healthy adults［J］.J Expo Sci Environ Epi⁃demiol，2013，23（5）：559-564.

［13］Jia X，Hao Y，Guo X.Ultrafine carbon black dis⁃turbs heart rate variability in mice［J］.Toxicol Lett，2012，211（3）：274-280.

［14］Liu Q，Baumgartner J，Zhang Y，Liu Y，Sun Y，Zhang M.Oxidative potential and inflammatory im⁃pacts of source apportioned ambient air pollution in Beijing［J］.Environ Sci Technol，2014，48（21）：12920-12929.

［15］Wu S，Wang B，Yang D，Wei H，Li H，Pan L，et al.Ambient particulate air pollution and circulating antioxidant enzymes：a repeated-measure study in healthy adults in Beijing，China［J］.Environ Pollut，2016，208（Pt A）：16-24.

［16］Chen T，Jia G，Wei YJ，Li JC.Beijing ambient par⁃ticle exposure accelerates atherosclerosis in ApoE knockout mice［J］.Toxicol Lett，2013，223（2）：146-153.

［17］ Langrish JP，Li X，Wang S，Lee MM，Barnes GD，Miller MR，et al.Reducing personal expo⁃sure to particulate air pollution improves cardiovas⁃cular health in patients with coronary heart disease［J］.Environ Health Perspect，2012，120（3）：367-372.

［18］Chen R，Zhao A，Chen H，Zhao Z，Cai J，Wang C，etal. Cardiopulmonary benefits of reducing indoor particles of outdoor origin：a randomized，double-blind crossover trial of air purifiers［J］.J Am Coll Cardiol，2015，65（21）：2279-2287.

［19］ Carvalho RH，Haberle V，Hou J，van Gent T，Thongjuea S，van Ijcken W，et al.Genome-wide DNA methylation profiling of non-small cell lung carcinomas［J］.Epigenetics Chromatin，2012，5（1）：9.

Ambient PM2.5and health：from exposure，health hazards to intervention

WU Shao-wei，DENG Fu-rong
（Department of Occupational and Environmental Health Sciences，School of Public Health，Peking University，Beijing 100191，China）

Ambient fine particulate（PM2.5）pollution has become one of the major environmental issues that endanger human health in China，and how to recognize and prevent its health hazards is one of current hot spots for scientific research.Ambient PM2.5has maintained high levels over recent years，and accurate assessment of personal exposure to PM2.5is the basis for in-depth investigation. Ambient PM2.5contains various chemical constituents from multiple pollution sources，and can exert a series of short-term and long-term health hazards via a range of biological mechanisms.Epidemiological and toxicological studies are two major types of design used in the health hazards assessment of PM2.5.In addition，interventional studies on how to mitigate the adverse health effects of PM2.5are emerging as a new important sphere for future scientific research.

PM2.5；personal exposure；health hazards；intervention

DENG Fu-rong，E-mail：lotus321321@126.com

R994.6

A

1000-3002-（2016）08-0797-05

10.3867/j.issn.1000-3002.2016.08.001

Foundation item：The project supported by National Natural Science Foundation of China（91543112）；China Medical Board（CMB15-228）；andExcellentDoctoralDissertationfromBeijingMunicipalCommissionofEducation（20131000109）.

2016-08-05 接受日期：2016-08-12）

（本文编辑：齐春会）

国家自然科学基金（91543112）；中华医学基金会项目（CMB 15-228）；北京市优秀博士学位论文专项资金（20131000109）。

邓芙蓉，E-mail：lotus321321@126.com