运动复合颗粒物污染影响呼吸系统健康的分子生理学机制

钱帅伟　张瑞萍　张安民

(烟台大学体育学院，山东　烟台　264005)

运动复合颗粒物污染影响呼吸系统健康的分子生理学机制

钱帅伟张瑞萍张安民

(烟台大学体育学院，山东烟台264005)

〔关键词〕颗粒物；呼吸系统；氧化应激；炎症反应；运动；健康效应

目前，颗粒物污染的健康效应日益成为政府和社会各界关注的焦点。运动是增进健康最积极、最经济的一种手段〔1〕。 一般来说，随着运动强度的增大和持续时间的延长，呼吸频率加快，肺通气量增加，气体扩散能力增强，颗粒物吸入量也随之增多。Daigle等〔2〕研究也发现，中等强度自行车运动时，由于每分通气量的增加，颗粒物肺沉积量是静息时的4.5倍。因此，与静息暴露者相比，运动参与者颗粒物吸入量相对增多。近期，Huang等〔3〕通过比较城市公交车、出租车和自行车等不同出行方式到达同一目的地时健康受试者的细颗粒物总暴露量，发现乘出租车时暴露量最少，而骑自行车时暴露量最多；并认为，由于自行车出行是一种中等强度的有氧运动，受试者呼吸频率远高于坐公交车和乘出租车，且行驶相同距离时暴露时间更长，细颗粒物吸入量也最多，故自行车出行可能具有较高的健康风险。本文旨在梳理运动与颗粒物污染对呼吸系统的相关研究，以期阐释其影响呼吸系统健康的具体机制。

1颗粒物污染

颗粒物是悬浮在空气中的固体颗粒或液滴。根据其空气动力学粒径，可分为总悬浮颗粒和可吸入颗粒。其中，可吸入颗粒中空气动力学粒径≤2.5 μm的细颗粒，因其粒径小、比表面积大，易吸附重金属和大量有毒有害物质，并可经呼吸道进入肺深处及血液循环，引起系统性氧化应激和炎症反应，导致健康流失〔4〕。细颗粒家族中的超细颗粒(粒径≤0.1 μm)，因其粒径更小，更容易广泛作用于全身组织器官，对健康的危害也更大〔5〕。但由于目前国内外尚未针对其制定相应的环境水准，其污染特征和健康损害效应还知之甚少。细颗粒物仍然是目前的研究重点。

颗粒物污染不仅能降低大气能见度，造成雾霾天气，对交通安全构成严重威胁，还能严重影响空气环境质量，损害暴露者的生命质量和健康水平。颗粒物表面吸附大量有机污染物和重金属，可使暴露者遗传物质受损，致畸、致癌、致突变率显著增加〔6〕。颗粒物还可引起系统性氧化应激和炎症反应，对全身组织、器官、系统的结构与功能造成严重损害，并能显著增加慢性阻塞性肺炎、支气管炎、哮喘、心肌梗死、脑卒中、动脉硬化、Ⅱ型糖尿病、阿尔茨海默病(AD)、帕金森综合征(PD)、多发性硬化症(MS)等多种慢性疾病的发病率和死亡率〔1,5〕。但由于颗粒物主要组分、暴露浓度、暴露时间、个体差异等因素的多样性和复杂性，颗粒物对不同人群的健康损害效果也不尽不同。

2运动结合颗粒物污染对呼吸系统的健康效应

2.1肺功能目前有关颗粒物污染影响肺功能的研究主要表现为交通相关颗粒物暴露时肺功能的变化。通过对长期居住在交通高密集区10～18岁青少年的研究发现，在其接近18岁时，1 s用力呼气量(FEV1)降低近4.9倍，肺功能显著降低〔7〕。长期居住在离交通密集区500 m的儿童与1 500 m的儿童相比，肺功能明显衰退〔8〕。Kan等〔9〕研究发现，交通相关颗粒物长期暴露的中年人FEV1和用力肺活量(FVC)均显著降低，肺功能严重受损。这些研究表明，颗粒物长期暴露可严重损害肺功能。

目前有关运动和颗粒物污染影响肺功能变化的研究主要集中于一次不同形式的运动。通过比较哮喘患者在城市交通高密集区和空气清新的公园步行2 h后的肺功能变化，发现前者FVC降低5.4%，FEV1降低6.1%，而后者肺功能未有显著变化〔10〕。Zhang等〔11〕研究发现，哮喘患者在交通繁忙区步行2 h后，FEV1、FVC分别降低3.0%～4.1%、2.8%～3.7%，并伴有痰液中性粒细胞增多和髓过氧物酶活性增强。这两项研究表明，呼吸系统疾病患者在颗粒物污染下进行急性有氧运动可导致肺功能显著下降。

颗粒物急性暴露后，再进行一次运动可否引起肺功能变化也是亟需探讨的问题。Flouris等〔12〕研究表明，健康受试者颗粒物急性暴露3 h后，血液白细胞介素(IL)-4、IL-5、IL-6、干扰素(IFN)-γ、肿瘤坏死因子(TNF)-α、核转录因子(NF-κB)等因子浓度升高，在进行亚极量或极量运动时FEV1/FVC、FEV1下降，提示肺功能降低与免疫功能失调有关。也有研究表明，颗粒急性暴露60 min后，再进行一次20 km的自行车运动，发现运动时心率增加，肺功能显著降低〔13〕。这说明，颗粒物急性暴露后，再进行一次极量或亚计量运动均可降低肺功能。

对于冰上项目来说，冰场制冰机工作可释放大量尾气，使室内颗粒物浓度比室外高30倍，训练超过2年可使FEV1降低11%，用力呼气中期流速(FEF25～75)降低22%。提示，慢性颗粒物污染可使冰上项目运动员肺功能降低。该研究还发现，在颗粒物污染的冰场进行一次6 min急性滑冰运动可使FVC、FEV1、FEF25～75分别下降12%、15%、28%，肺功能降低〔14〕。

但以上研究在检测肺功能变化时并未建立颗粒浓度模型。Rundell等〔15〕通过研究不同浓度颗粒物污染下跑步运动(30 min、85%～90%最大心率)的肺功能变化，发现只有高浓度颗粒物污染下跑步时才出现FEV1、FEF25-75的显著下降，并证实这与脂质过氧化损伤有关。因此，建立颗粒物不同浓度的实验模型可能更能反映肺功能变化情况。

颗粒物污染下/后进行一次不同形式运动均可使肺功能降低，这可能与氧化应激和炎症反应有关。但目前尚缺少颗粒物污染下进行长期耐力运动影响肺功能的相关报道。

2.2肺病理性改变颗粒物及其携带的毒性成分可刺激肺泡巨噬细胞和肺上皮细胞，通过诱导血小板生长因子(PDGF)和转化生长因子(TGF)-β的激活，促进肺上皮和间质增生，使气道壁纤维组织增厚，导致肺纤维化〔16〕。颗粒物污染还能引起肺ROS和炎性因子异常释放，引起细胞周期改变和氧化损伤，甚至对DNA、RNA等遗传物质造成不可逆性损害。近期研究表明，细颗粒物可使肺上皮细胞LDH、ROS水平上升，SOD、CAT活性降低，并可增强Bax、Caspase-9、Caspase-7、Caspase-3、PARP的蛋白表达，促进细胞损伤和凋亡〔17〕。这说明，颗粒物污染可通过氧化应激和炎症反应诱导肺病理改变。

尽管颗粒物污染可诱导肺病理性改变，但若在颗粒物污染之前预先进行长期耐力运动似乎可减缓其所致的肺病理性重塑。近期有研究发现，小鼠进行4 w耐力性游泳运动(15 min、5次/w)后，再进行急性颗粒物暴露1 h发现，预游泳运动可部分降低肺TGF-β、IL-1β的表达，减少中性粒细胞产生，抑制炎症反应，减少胶原沉积〔18〕。这说明，预耐力运动可抑制急性颗粒物污染所致的肺病理性损伤。另有研究表明，小鼠进行8 w预有氧跑台运动(8 m/min、30 min、2次/d)可显著抑制慢性颗粒物污染所致的肺泡毛细血管通透性增加和炎性细胞浸润，阻遏粘蛋白2、细胞因子、趋化因子、黏附分子的增多，减弱NF-κB活性，降低炎性水平〔19〕。提示，预耐力运动也可抑制慢性颗粒物污染所致的肺病理性改变。Toledo等〔20〕进一步优化了实验方案，通过建立中等强度跑台运动模型(先预运动60 min，再颗粒物污染30 min、5次/w、24 w)，发现预耐力运动可适度降低小鼠肺ROS和8-异构前列腺素水平，抑制IL-10、TIMP1、CuZn-SOD、GSH表达的降低，减轻炎症反应。以上研究表明，规律性预运动可适度抑制急、慢性颗粒物污染所致的肺病理改变。

与上述研究不同的是，有学者建立预先进行颗粒物污染、再进行耐力运动的动物实验模型，从而探知耐力运动可否抑制颗粒物预暴露所致的肺病理改变。该研究认为，尽管颗粒物慢性预暴露可使小鼠肺泡巨噬细胞和中性粒细胞数量增加，胶原异常沉积，但随后再进行8 w耐力性游泳运动(60 min、5次/w)却可显著降低自由基产生，增强SOD、CAT等抗氧化酶活性，适度改善(但不能逆转)脂质和蛋白质氧化损伤〔21〕。这表明，耐力运动也可改善颗粒物预暴露所致的肺病理改变。

规律性预运动可显著抑制颗粒物污染所致的肺氧化应激和炎症反应，抑制肺病理改变；颗粒物预暴露可致肺病理性重塑，但随后进行规律性运动却可提高内源性抗氧化酶活性，增强免疫功能，改善肺病理性改变。目前尚缺少颗粒物污染下进行不同形式运动时肺病理性改变的相关报道。

2.3运动能力颗粒物污染不仅能引起肺氧化损伤和炎性损伤，导致氧运输能力下降，肺功能降低，还能使血管内皮舒张功能障碍，血管僵硬度提高，血管功能受损，血流量降低，这些均是导致运动能力降低的重要原因。有研究发现，在交通高污染区进行一次库伯测试(12 min跑)，发现VO2max、红细胞数目、血红蛋白含量和红细胞比容均显著降低，血乳酸水平和白细胞数目升高，最大运动距离缩短〔22〕。提示颗粒物污染下进行亚极量运动可降低运动能力，这与氧运输能力和肺功能降低有关。Yu等〔23〕通过对居住在交通高污染区的中学生进行一次多级体能测试时，发现VO2max下降1.99%，运动能力降低。Rundell等〔24〕研究表明，健康男性在颗粒物污染下分别进行两次6 min极力功率自行车测试，且两次测试间隔3 d，发现首次测试运动能力未发生变化，但末次测试却显著降低，并认为这与首次测试引起的免疫失调有关。Cutrufello等〔25〕改良了上述实验方案，即每次6 min极力功率自行车测试前在同种暴露环境中均进行一次亚极量运动(20 min，60%最大心率)，发现两次测试均可降低运动能力，认为这与该亚极量运动诱发的免疫失调有关。以上研究表明，颗粒物污染下进行一次极量或亚极量运动均可降低运动能力，这可能与氧化应激和炎症反应引起的病理性改变有关。

3小结

综上所述，目前有关运动与颗粒物污染影响呼吸系统的诸多研究表明，颗粒物污染下进行一次不同形式运动均可对呼吸系统产生严重负面效应，导致健康流失，这可能与氧化应激和炎症反应激活有关。而与之不同的是，规律性预运动却可通过增强内源性抗氧化系统和免疫系统的功能，抑制颗粒物污染对呼吸系统的负面健康效应〔18～20〕；颗粒物预暴露可导致呼吸系统的健康效应流失，但随后进行规律性运动可适度抑制其过度损伤〔21〕。尽管目前多数研究认为颗粒物污染下进行不同形式运动可对呼吸系统产生严重的负面效应，但最近Vieira等〔26〕通过建立50%最大跑速运动(60 min/次、5次/w、5 w)结合颗粒物慢性污染动物模型，发现颗粒物慢性污染下进行耐力性有氧运动可显著降低颗粒物所致的肺氧化应激、炎症反应和胶原沉积。其机制为，耐力性有氧运动通过抑制肺ROS和RNS的释放，抑制氧化应激；通过降低肺IL-1β、TNF-α、IL-6、角蛋白趋化因子(KC)等细胞因子释放，减轻炎性损伤，减少胶原过度沉积，抑制肺病理性改变〔26〕。这似乎表明，运动促进呼吸系统健康与颗粒物污染危害健康效应之间可能存在一个的平衡点：当颗粒物浓度较低或暴露时间较短时，运动可平衡、抑制和延缓颗粒物所致的健康流失；当颗粒物浓度较高或暴露时间较长，或运动不足于拮抗颗粒物的负面健康效应时，颗粒物可造成严重的健康流失。因此，探讨运动抵抗颗粒物污染对呼吸系统健康效应的相关机制可能显得更加重要，这将为公众科学合理地规划户外运动和出行提供新的理论参考。

4参考文献

1Giles LV,Koehle MS.The health effects of exercising in air pollution〔J〕.Sports Med,2014;44(2):223-49.

2Daigle CC,Chalupa DC,Gibb FR,etal.Ultrafine particle deposition in humans during rest and exercise〔J〕.Inhal Toxicol,2003;15(6):539-52.

3Huang J,Deng F,Wu S,etal.Comparisons of personal exposure to PM 2.5 and CO by different commuting modes in Beijing,China〔J〕.Sci Total Environ,2012;425:52-9.

4Nelin TD,Joseph AM,Gorr MW,etal.Direct and indirect effects of particulate matter on the cardiovascular system〔J〕.Toxicol Lett,2012;208(3):293-9.

5Bos I,De Boever P,Int PL,etal.Physical activity,air pollution and the brain〔J〕.Sports Med,2014;44(11):1505-18.

6Cutrufello PT,Smoliga JM,Rundell KW.Small things make a big difference:particulate matter and exercise〔J〕.Sports Med,2012;42(12):1041-58.

7Gauderman WJ,Avol E,Gilliland F,etal.The effect of air pollution on lung development from 10 to 18 years of age〔J〕.N Engl J Med,2004;351(11):1057-67.

8Gauderman WJ,Vora H,Mcconnell R,etal.Effect of exposure to traffic on lung development from 10 to 18 years of age:a cohort study〔J〕.Lancet,2007；369(9561):571-7.

9Kan H,Heiss G,Rose KM,etal.Traffic exposure and lung function in adults:the atherosclerosis risk in communities study〔J〕.Thorax,2007；62(10):873-9.

10Mccreanor J,Cullinan P,Nieuwenhuijsen MJ,etal.Respiratory effects of exposure to diesel traffic in persons with asthma〔J〕.N Engl J Med,2007；357(23):2348-58.

11Zhang JJ,Mccreanor JE,Cullinan P,etal.Health effects of real-world exposure to diesel exhaust in persons with asthma〔J〕.Res Rep Health Eff Inst,2009;(138):5-109,111-23.

12Flouris AD,Metsios GS,Carrillo AE,etal.Respiratory and immune response to maximal physical exertion following exposure to secondhand smoke in healthy adults〔J〕.PLoS One,2012;7(2):e31880.

13Giles LV,Carlsten C,Koehle MS.The effect of pre-exercise diesel exhaust exposure on cycling performance and cardio-respiratory variables〔J〕.Inhal Toxicol,2012;24(12):783-9.

14Rundell KW.Pulmonary function decay in women ice hockey players:is there a relationship to ice rink air quality〔J〕?Inhalation Toxicol,2004;16(3):117-23.

15Rundell KW,Slee JB,Caviston R,etal.Decreased lung function after inhalation of ultrafine and fine particulate matter during exercise is related to decreased total nitrate in exhaled breath condensate〔J〕.Inhal Toxicol,2008;20(1):1-9.

16van Berlo D,Hullmann M,Schins RP.Toxicology of ambient particulate matter〔J〕.EXS,2012;101:165-217.

17Deng X,Zhang F,Wang L,etal.Airborne fine particulate matter induces multiple cell death pathways in human lung epithelial cells〔J〕.Apoptosis,2014;19(7):1099-112.

18Normando VM,Mazzoli-Rocha F,Moreira DK,etal.Regular exercise training attenuates pulmonary inflammatory responses to inhaled alumina refinery dust in mice〔J〕.Respir Physiol Neurobiol,2013;186(1):53-60.

19Yu YB,Liao YW,Su KH,etal.Prior exercise training alleviates the lung inflammation induced by subsequent exposure to environmental cigarette smoke〔J〕.Acta Physiol(Oxf),2012;205(4):532-40.

20Toledo AC,Magalhaes RM,Hizume DC,etal.Aerobic exercise attenuates pulmonary injury induced by exposure to cigarette smoke〔J〕.Eur Respir J,2012;39(2):254-64.

21Menegali BT,Nesi RT,Souza PS,etal.The effects of physical exercise on the cigarette smoke-induced pulmonary oxidative response〔J〕.Pulm Pharmacol Ther,2009;22(6):567-73.

22Kargarfard M,Poursafa P,Rezanejad S,etal.Effects of exercise in polluted air on the aerobic power,serum lactate level and cell blood count of active individuals〔J〕.Int J Prev Med,2011;2(3):145-50.

23Yu IT,Wong TW,Liu HJ.Impact of air pollution on cardiopulmonary fitness in schoolchildren〔J〕.J Occup Environ Med,2004;46(9):946-52.

24Rundell KW,Caviston R.Ultrafine and fine particulate matter inhalation decreases exercise performance in healthy subjects〔J〕.J Strength Cond Res,2008;22(1):2-5.

25Cutrufello PT,Rundell KW,Smoliga JM,etal.Inhaled whole exhaust and its effect on exercise performance and vascular function〔J〕.Inhal Toxicol,2011;23(11):658-67.

26Vieira RP,Toledo AC,Silva LB,etal.Anti-inflammatory effects of aerobic exercise in mice exposed to air pollution〔J〕.Med Sci Sports Exerc,2012;44(7):1227-34.

〔2015-07-08修回〕

(编辑曲莉)

基金项目：国家自然科学基金资助项目(31050009)；山东省自然科学基金资助项目(ZR2014CP025)

通讯作者：张安民(1959-)，男，教授，硕士生导师，主要从事运动医学研究。

〔中图分类号〕R339.4

〔文献标识码〕A

〔文章编号〕1005-9202(2016)10-2535-04；

doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2016.10.107

第一作者：钱帅伟(1984-)，男，讲师，在读博士，主要从事运动医学研究。