不同浓度大气细颗粒污染物PM2.5对心脏组织功能的影响*

袁凌珂，章明徐，朱娱，张可珺，邓少丽△

（1.第三军医大学大坪医院野战外科研究所检验科，重庆400042；2.第三军医大学大坪医院野战外科研究所二室，重庆400042；3.重庆市南开中学400030）

·论著·

不同浓度大气细颗粒污染物PM2.5对心脏组织功能的影响*

袁凌珂1，3，章明徐1，朱娱2，张可珺1，邓少丽1△

（1.第三军医大学大坪医院野战外科研究所检验科，重庆400042；2.第三军医大学大坪医院野战外科研究所二室，重庆400042；3.重庆市南开中学400030）

目的探讨空气动力学直径小于2.5 μm的颗粒（PM2.5）对大鼠心血管系统的影响及PM2.5影响心脏功能的机制。方法在重庆市区采集PM2.5，选取雄性Wistar大鼠40只作为研究对象，设置正常对照组和实验染毒组［包括PM2.5低浓度组（1.0 mg/0.25 mL）、PM2.5中浓度组（3.0 mg/0.25 mL）、PM2.5高浓度组（8.0 mg/0.25 mL）］每组10只。采用气管滴注法进行PM2.5染毒，观察各组大鼠心肌组织结构、血清心肌肌钙蛋白T（cTnT）水平，同时检测心肌白介素-6（IL-6）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）水平，分析机体肺灌注PM2.5后心血管系统的炎性反应和心脏功能变化。结果大鼠PM2.5染毒后，不同浓度实验染毒组大鼠心肌细胞水肿程度加深，心肌纤维呈波浪状排列，形态异常；实验染毒组大鼠血清cTnT水平明显高于正常对照组，且与PM2.5浓度呈正相关（P＜0.05），PM2.5高浓度组大鼠cTnT水平明显高于PM2.5中、低浓度组，但PM2.5中、低浓度组大鼠cTnT水平无明显差异。实验染毒组大鼠心肌组织IL-6、TNF-α水平较正常对照组明显升高，差异有统计学意义（P＜0.05），且与PM2.5浓度有关。结论PM2.5引起Wistar大鼠心脏组织结构损伤，心血管系统出现明显的炎性反应，大鼠心脏功能出现损伤，提示PM2.5可能通过炎性反应损伤机体心血管系统，雾霾可能是诱发心血管疾病的重要原因。

空气污染；生物因子；心肌；心血管疾病

我国大气污染比较严重，目前国内外已有较多关于PM2.5对呼吸系统损伤的文献报道［1］。有研究结果显示，PM2.5与心脏病死亡率有明显关系［2］，但PM2.5是否引发心脏病，其机制尚不清楚。大气中的颗粒物分为两类：空气动力学直径小于10 μm的颗粒（PM10）、空气动力学直径小于2.5 μm的颗粒（PM2.5）。PM2.5也称为细颗粒物，是构成霾的主要成分，对人体的伤害极大，是导致雾霾天气的“罪魁祸首”［3］。PM2.5颗粒物表面吸附大

量的有毒、有害物质，且能较长时间停留在空气中，通过呼吸停留在肺泡，并可通过肺换气到达其他器官［4］。PM2.5对肺的损害比较明显，其可以直接进入支气管，影响机体肺部的气体交换，造成呼吸系统的损伤，如咳嗽、肺功能降低、慢性支气管炎、呼吸困难等，PM2.5对呼吸系统的损伤机制目前已有较多研究［5］。近年来，PM2.5引起人类心血管疾病发病率和死亡率明显升高，如引发缺血性心脏病、充血性心力衰竭、心律失常等，但PM2.5引发心血管疾病的机制尚不明确。本研究以Wistar大鼠作为研究对象，旨在探讨PM2.5对心脏组织结构和功能的影响。

1　材料与方法

1.1材料40只健康雄性Wistar大鼠购于第三军医大学实验动物中心，体质量（200.25±14.12）g，饲养在清洁级实验环境下。将40只大鼠随机分为正常对照组、实验染毒组［PM2.5低浓度组（1.0 mg/0.25 mL）、PM2.5中浓度组（3.0 mg/0.25 mL）、PM2.5高浓度组（8.0 mg/0.25 mL）］，每组10只。均于室温（20±1）℃、相对湿度40%～60%条件下饲养7 d，期间给予充足的水和饲料。

1.2试剂与仪器肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白介素-6（IL-6）酶联免疫吸附试验试剂盒（达科为生物科技有限公司），心肌肌钙蛋白T（cTnT）检测试剂盒（罗氏诊断公司），Mini Vol PM2.5便携式PM2.5采样器（美国Air Metrics公司），47 mm玻璃纤维滤膜（美国Air Metrics公司）等。cTnT采用Cobas-e601电化学发光免疫分析仪检测，TNF-α、IL-6采用Thermo MK3酶标仪检测。

1.3方法

1.3.1PM2.5的采集和处理利用PM2.5采样仪采集重庆市区2016年1～2月大气PM2.5，离地5 m以100 L/min流量连续采集于玻璃纤维滤膜上，剪成1 cm2大小的小块，置于去离子水中超声震荡20 min，重复3次，功率500 W洗脱颗粒物。6层纱布过滤，除去玻璃纤维滤膜。将滤过液4℃、12 000 r/min离心20 min，收集下层沉淀液，真空冷冻干燥，于-20℃避光保存。PM2.5染毒前，利用生理盐水将PM2.5制成悬液，超声振荡15 min，使悬液混匀并高压灭菌。

1.3.2PM2.5染毒及大鼠模型的制备适应性饲养后，四组大鼠随机接受不同的处理因素。实验染毒组处理流程：乙醚麻醉大鼠，通过气管滴注给予实验染毒组无菌PM2.5悬液（0.25 mL）染毒，间隔48 h，连续染毒3次；正常对照组以乙醚麻醉大鼠，给予单纯无菌生理盐水每只每次0.25 mL。以PM2.5采样器采集到足够量的PM2.5，气管滴注至大鼠制作PM2.5模型，各组大鼠状态良好。

1.3.3大鼠心脏组织结构观察将各组大鼠麻醉后取心脏，4%甲醛固定，常规脱水、透明，石蜡包埋，切片，苏木精-伊红（HE）染色，光镜下观察大鼠心脏组织学结构。

1.3.4心肌组织匀浆、血清制备及指标测定末次PM2.5暴露48 h后，腹腔注射水合氯醛（5%，0.6 mL/kg）处死大鼠，立即摘取心脏并称质量，按照1∶9生理盐水利用匀浆器在冰浴中将其制成10%组织匀浆，4℃、3 000 r/ min离心20min，取上清液分装成2管，保存于-80℃冰箱中，分别用于测定组织匀浆中IL-6和TNF-α水平。分离大鼠腹主动脉，从腹主动脉末端采血约5mL，将血液标本4℃、3 000 r/min离心10 min，取上清液，置于-20℃冰箱中保存，严格按照试剂盒说明书检测cTnT水平。

1.4统计学处理应用SPSS20.0统计软件进行数据分析，计量资料以±s表示，采用配对样本t检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

2　结果

2.1不同浓度PM2.5对Wistar大鼠心脏形态结构的影响正常对照组大鼠心肌纤维呈平行排列，横纹清晰，细胞核椭圆形，位于细胞中央（图1a）；随着PM2.5染毒剂量增加，大鼠心肌细胞逐渐水肿，心肌纤维排列不整齐，高浓度PM2.5组肌纤维呈波浪状排列，细胞间隙增宽（图1b、c、d）。

图1　四组大鼠心脏组织形态（HE染色，40×）

2.3不同浓度PM2.5对Wistar大鼠血清cTnT水平的影响大鼠PM2.5染毒后，不同浓度实验染毒组大鼠血清cTnT水平均明显高于正常对照组，差异均有统计学意义（P＜0.01），且与PM2.5水平呈正相关（P＜0.01），PM2.5高浓度组血清cTnT明显高于PM2.5中、低浓度组，但PM2.5中浓度组与PM2.5低浓度组比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。见表1。

表1　不同浓度PM2.5对Wistar大鼠血清cTnT水平的影响

2.4不同浓度PM2.5对Wistar大鼠心肌组织中TNF-α、IL-6表达的影响实验染毒组大鼠心肌组织IL-6、TNF-α表达水平较正常对照组明显升高，且差异均有统计学意义（P＜0.05），且与PM2.5水平相关。见表2。

表2　PM2.5对Wistar大鼠心肌组织中TNF-α、IL-6表达水平的影响

3　讨论

我国雾霾天气日益严重，不仅影响了生态环境，还对人类健康造成极大伤害［6-8］。雾霾的主要成分是PM2.5，其颗粒直径小，包含的物质成分复杂，形状不规则，有强烈的富集作用。PM2.5是控制雾霾天气的主要指标。

大气PM2.5主要在交通、制造、能源等行业中的高温燃烧过程中产生，可经呼吸直达人体肺泡，沉积于肺泡表面，并可透过呼吸屏障进入循环系统，随血流而作用于心血管系统。PM2.5对心血管疾病影响的机制虽不明确，但近年来有研究结果显示，其可能引起心血管内皮细胞损伤及炎症细胞浸润，使炎性细胞因子增加，导致心脏组织慢性炎症，最终损害心肌细胞结构及功能［9-10］。TNF-α、IL-6是由单核巨噬细胞、自然杀伤细胞等分泌的细胞因子，是引起炎性反应的重要介质［11］。TNF-α是炎症中重要的启动因子，并能调节IL-6等其他炎性细胞因子的释放，导致组织损伤。IL-6是急性炎症反应的主要标志之一，也是一种多细胞来源并具有复杂生物学功能的细胞因子，具有调节免疫应答、参与机体炎性反应和抗感染作用［12］。有研究表明，PM2.5使心肌细胞炎性细胞因子水平增加，引起炎性反应［13］。从表2中可以看出，PM2.5低、中、高浓度组TNF-α、IL-6表达水平与正常对照组比较，差异均有统计学意义（P＜0.05），且随着PM2.5水平的增加，TNF-α、IL-6表达水平升高，提示雾霾天气时，心肌组织可产生炎性刺激效应。

心肌细胞损伤后，膜的完整性和通透性改变，使细胞内的大分子物质溢出，这些大分子物质被称为心肌损伤标志物，cTnT便是其中一种标志物，其仅存在于心肌细胞中，心肌坏死时cTnT释放进入血液，是心肌损伤最特异的诊断指标。本研究结果显示，PM2.5可引起心肌细胞损伤，使cTnT水平升高，且其升高程度与PM2.5浓度呈正相关。

本研究结果还显示，PM2.5可能引起心血管系统炎性因子表达增加，对心肌组织产生炎性刺激，从而导致心脏细胞结构和功能受到损伤，且损伤程度与PM2.5水平有关。本文通过不同浓度PM2.5对心肌炎性因子影响及心脏功能的影响，并提出PM2.5可能诱发炎性细胞因子水平增加，是心肌细胞损伤、影响心脏功能的重要原因，本研究目前处于国内领先水平。炎症及免疫损伤被认为是PM2.5影响人体健康的主要机制之一。但目前人们对PM2.5导致炎症及免疫损伤的细胞与分子机制的了解还相当有限，如PM2.5对机体免疫细胞及免疫功能的影响仍需进一步深入研究。本研究利用短期动物实验从生物学角度说明了PM2.5细颗粒物对心脏的炎性损伤。为了保护人类健康，我国应尽快采取有效措施治理细小颗粒物污染［13］。

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Effects of different concentrations of airborne fine particulate matter 2.5 on heart tissue function*

Yuan Lingke1，3，Zhang Mingxu1，Zhu Yu2，Zhang Kejun1，Deng Shaoli1△
（1.Department of Clinical Laboratory，Research Institute of Field Surgery，Third Military Medical University，Chongqing 400042，China；2.Second Department，Research Institute of Field Surgery，Third Military Medical University，Chongqing 400042，China；3.Chongqing Nankai Secondary School 400030，China）

ObjectiveTo study the effects of particles of diameter less than μm2.5（PM2.5）in aerodynamics on the cardiovascular system，and to analyze the mechanism of PM2.5 affecting the heart function.MethodsPM2.5 in Chongqing urban region was collected.Forty male Wistar rats were selected as the research subjects and divided into the normal control group and experimental contamination groups［including low concentration PM2.5 group（1.0 mg/0.25 mL），medium concentration PM2.5 group（3.0 mg/0.25 mL），high concentration PM2.5 group（8.0 mg/0.25 mL），10 cases in each group］.The intratracheal instillation method was adopted to conduct the PM2.5 contamination.The rat myocardial tissue structures and serum cTnT level in each group were observed.Meanwhile IL-6 and TNF-α expression levels were detected.The inflammatory reaction of cardiovascular system and cardiac function change were observed after PM2.5 pulmonary perfusion.ResultsThe cardiomyocyte edema degree in each experimental contamination group with different concentrations was deepened，the myocardial fibers had wavy arrangement with morphologic abnormality after PM2.5 contamination；the rat serum cTnT level in the experimental contamination group was significantly higher than thatin the normalcontrol group，moreover which was positively correlated with PM2.5 concentration（P＜0.05），the rat cTnT level in the high PM2.5 concentration group was significantly higher than that in the medium PM2.5 concentration group and low PM2.5 concentration group，but which had no obvious difference between the medium PM2.5 concentration group and low PM2.5 concentration group.The rat myocardial tissue IL-6 and TNF-α expression levels in the experimental contamination groups were significantly increased compared with thenormal control group，the difference was statistically significant（P＜0.05），moreover which were correlated with PM2.5 concentration.ConclusionPM2.5 causes the injury of rat heart tissue structure，inflammatory reactions of cardiovascular system and injure of myocardial function，prompting that PM2.5 may injure the cardiovascular system by the inflammatory reactions.Haze may be an important cause inducing cardiovascular diseases.

Air pollution；Biological factors；Myocardium；Cardiovascular diseases

10.3969/j.issn.1009-5519.2016.19.002

A

1009-5519（2016）19-2942-03

国家高技术研究发展“863”计划（2011AA02A111）。

袁凌珂（2000-），在读学生，主要从事环境与医学健康实践的学习。△

，E-mail：dengshaoli@tmmu.edu.cn。

（2016-07-12）