PM2.5致过敏、氧化应激、DNA损伤等机制的研究进展

王寒梅，孙仁山

PM2.5致过敏、氧化应激、DNA损伤等机制的研究进展

王寒梅，孙仁山

王寒梅

细颗粒物（particulate matter，PM2.5）是城市大气的重要污染物，因其粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质如重金属、微生物等，且在大气中的停留时间长、输送距离远，故而对人体健康具有很大影响。目前已有大量关于其致病机制的研究，如机体免疫功能的改变，诱导细胞氧化应激和损害，基因突变和DNA损伤，但具体的致病机制尚未完全明确，该文就以上致病机制进行综述。

PM2.5；过敏；氧化应激；DNA损伤

[J Pract Dermatol, 2017, 10(2):104-106]

PM2.5（particulate matter）又称细粒、细颗粒物，空气动力学当量直径≤2.5 μm，是城市大气的重要污染物。因其粒径小，面积大，活性强，易附带有毒、有害物质如重金属、微生物等，且在大气中的停留时间长、输送距离远，故而对人体健康具有很大影响。通过呼吸道进入血液引起各系统损害，还可以增加哮喘、过敏性鼻炎、慢性支气管炎等疾病的发病率，加重特应性皮炎（atopic dermatitis，AD）、湿疹等皮肤疾病。本文就目前国内外对PM2.5的生物学效应及其致病机制研究进展进行综述。

1 PM2.5与过敏

大量研究发现PM2.5可引起免疫功能的改变。Xie等[1]和He等[2]研究发现，PM2.5可以协同卵清蛋白诱导嗜碱粒细胞显著增加特异性IgE产生，说明其对IgE介导的变态反应具有重要作用。此外，PM2.5可引起白细胞介素（IL）-17A、穿孔素、肿瘤坏死因子（TGF）-β和基质金属蛋白酶-2（matrix metalloproteinase-2，MMP-2）的表达上调，同时增加CD4+淋巴细胞、CD17+细胞在脾脏和心脏的表达，但减少干扰素（IFN）-γ和MMP-1的表达。受试者在接受PM2.5刺激后，Toll受体4（toll-like receptor，TLR4）或TLR2阳性细胞减少，血液IgA、IgG、IgM和IgE等免疫指标以及CD4、CD8、CD4/CD8淋巴细胞均有改变。PM2.5刺激2～4 d后，单核细胞表面表达的调节非特异性免疫和炎性反应的协同刺激分子，包括CD80、CD40、CD86、HLA-DR和CD23，均显著增加。Kousha 等[3]调查分析结果发现，空气污染（PM2.5，NO2等）与荨麻疹就诊人数之间具有统计学意义。体内实验中，长期处于高浓度PM2.5环境下的母亲产出的婴儿哮喘发病率明显升高，过敏性哮喘儿童接受高浓度PM2.5刺激后，鼻部出现炎症，血中嗜酸粒细胞百分比、白蛋白和α1-抗胰蛋白酶浓度均增加[4]。He等[5]临床研究结果显示，高浓度的PM2.5环境可以加重儿童过敏性鼻炎症状。马晓燕等[6]研究发现，以Th2 占优势的Th1/Th2 细胞比例和功能的失衡为哮喘发病最主要的免疫异常。正常情况下，Th1与Th2相互抑制并处于恒定状态，颗粒物可通过增加Th2 型细胞因子表达和（或）抑制Th1 型细胞因子的表达而引起Th1/Th2 细胞比例和功能失衡，Th1 细胞功能下降，Th2 细胞功能异常增高，导致IL-4、IL-5、IL-13、白三烯、组胺、前列腺素等细胞因子和炎性递质生成，最终形成以IgE 依赖为特征的速发型变态反应和以嗜酸粒细胞浸润为主的慢性气道炎症。Mimura等[7]临床调查发现，大气中PM2.5水平与门诊过敏性结膜炎患者患病情况相关。人和动物受到PM2.5刺激后，血清C反应蛋白、氧化低密度脂蛋白、IL-6、肿瘤坏死因子(TNF)α等升高，出现细胞间黏附分子-1（intercellular cell adhesion molecule-1，ICAM-1）、膜辅蛋白-1（membrane cofactor protein，MCP-1）等单核/巨噬细胞所诱导的趋化因子的释放，肺部出现炎症，肺泡灌洗液中细胞数量、蛋白质、炎性递质如TNFα和IL-6均增加，肺组织中促炎症因子、核转录因子kappa B（nuclear factor-kappa B，NF-κB）的表达均上调，由单核-巨噬细胞形成的大鼠肺部异物肉芽肿数目随着时间的推移越来越多。体外实验研究发现，PM2.5刺激人类和动物细胞后可诱导其基因表达和促进IL-1β、IL-6、IL-8、MCP-1、TNFα等炎性递质的分泌，且具有时间和剂量依赖性。这些结果表明，PM2.5可能导致各种各样对健康具有不利影响的炎症及免疫功能的改变，诱发或加重哮喘、慢性支气管炎、过敏性鼻炎、变态反应性皮肤病等[8]疾病。

2 PM2.5与氧化应激

大量研究表明，PM2.5诱导氧化应激是其产生生物学效应的一个重要机制。一方面，由于PM2.5暴露导致人或动物细胞氧化应激和损害：① PM2.5中本身具有环境稳定性的自由基。②大量附着在PM2.5表面的有机化合物被代谢激活成为亲电反应代谢物（electrophilic reaction metabolites，REMs），导致细胞内活性氧（reactive oxygen species，ROS）的产生或增多[9]。③存在于PM2.5上的过渡金属元素，如Fe、Cu、Vn和 Mn，通过芬顿反应（Fenton reaction）或干扰某些相关酶的功能而诱导ROS的生成[9,10]。④PM2.5介导的炎性细胞的激活能够产生ROS和活性氮分子（reactive nitrogen species，RNS）诱导氧化应激的发生。另一方面，PM2.5可以通过各种机制损害受刺激细胞的抗氧化系统并降低其抗氧化能力。已有研究发现，PM2.5暴露产生ROS作为功能性信号分子，触发核转录因子Nrf2 （NF-E2-related factor-2）易位到细胞核，从而导致抗氧化酶系统转录变更，可引起超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化氢酶（catalase，CAT）和谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）表达改变并降低其活性，也可引起硝基磷脂酶、过氧化物酶和血红素氧化酶（heme oxygenase，HO）活动异常及谷胱甘肽代谢酶如葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（glucose -6-phosphate dehydrogenase，G6PD）、谷胱甘肽还原酶（glutathione reductase，GR）、谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）和蛋白酪氨酸磷酸酶（protein tyrosine phosphatase，PTP）等活性显著降低。此外，PM2.5暴露产生的ROS可通过损害血脂、蛋白质和DNA等生物大分子的结构和功能而导致靶细胞和组织的损害。已有研究报道[11,12]，8-羟基脱氧鸟苷（8-hydroxy-deoxyguanosine，8-oxodG）是DNA氧化损伤的重要预测因子，血红蛋白中的γ-谷氨酰基半醛、血红蛋白和血浆蛋白中的2-氨基脂肪半醛是蛋白质氧化反应标志，血浆丙二醛是脂肪氧化反应标志，均与PM2.5暴露水平有关。过量的ROS还可能通过激活NF-κB，凋亡信号调控激酶（apoptosis signal-regulating kinase 1，ASK1），c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）和p53信号通路对细胞产生损害[13,14]。而以上这些不良反应常被抗氧化剂显著抑制或减弱[12]。氧化应激使研究者对PM2.5的致病机制有了基本了解，但对于参与PM2.5诱导的细胞内反应的复杂信号通路仍然存在许多知识缺口。

3 PM2.5与DNA损伤

大量研究表明，PM2.5中的某些成分具有致突变作用和基因毒性，其中多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）和硝基化合物（如硝基-多环芳烃、羟胺、3-硝基苯并蒽酮）被认为是PM2.5携带的主要致癌化合物。通过8-oxodG、核酸链断裂、核酸内切酶Ⅲ和多环芳烃加合物发现PM2.5导致人类或动物细胞的各种DNA损伤。如PAHs 在人体内的代谢产物二氢二醇环氧苯并芘（anti 7,8 dihydrodiol 9,10 epoxidebenzo(a)pyrene，BPDE）可与DNA 亲核位点鸟嘌呤外环氨基端共价结合，形成BPDE-DNA加合物，引起DNA 损伤，诱导基因突变和细胞癌变。除了PAH 外，在PM2.5中检测到的3-硝基苯并蒽酮（3-nitrobenzanthrone，3-NBA）也能与细胞DNA 形成加合物激发了一系列复杂的过程最终导致基因突变和基因癌变，Kawanishi等[15]研究揭示了加合物形成及DNA损伤、修复的分子机制。PM2.5暴露引起的DNA损伤反应，如增加共济失调毛细血管扩张突变基因（ataxia telangiectasia-mutated gene，ATM）、Chk2蛋白激酶（checkpoint kinase 2）、组蛋白H2AX的磷酸化，可引起一系列细胞生物化学和生理学过程的改变，尤其是对基因表达谱的影响，最终导致细胞功能改变[3,16]。此外，PM2.5可增加人细胞染色体畸变频率和细胞微核，证明其致染色体断裂的能力。除了有机化合物，附着于PM2.5表面的和其内部的重金属均对人体细胞具有潜在毒性作用。而抗氧化剂、ROS清除剂和α-萘黄酮可以明显阻断PM2.5诱导的基因毒性效应，提示ROS参与其中。

4 其他

NF-κB 是大气细颗粒物造成的机体炎性损伤过程中最早出现的核转录因子之一，即前炎性因子，它是调节基因转录的关键因子之一。一方面PM2.5通过产生ROS和（或）RNS诱导NF-κB激活，使其转录水平升高，进而释放炎性因子，启动细胞因子的级联反应，导致广泛弥漫的炎症损伤；另一方面，NF-κB也诱导ROS和NO产生，从而形成一个正反馈循环来放大下游的反应。Ca2+是细胞内重要的信号转导系统之一，大气细颗粒物导致细胞内Ca2+浓度升高甚至超载，Ca2+超载则会破坏线粒体结构和功能、造成DNA降解、促使自由基生成、激活蛋白激酶而再次导致细胞内Ca2+超载，引起细胞凋亡[17]。芳烃受体（aryl hydrocarbon receptor，AhR）是一种配体激活转录因子，可介导多环芳烃类化合物的毒性反应并参与信号转导、细胞分化等一些重要生物学过程，PM2.5释放的挥发性有机物和多环芳烃等通过激活芳烃受体（AhR）引起I时相细胞色素P450酶（如CYP1A1，CYP1A2，CYP1B1，CYP2E1 和 CYP2F1）和II时相酶（如NQO1，ALDH3A1，EPHX1，GST-pi1和 GST-mu3）等基因表达增强并对细胞造成毒性损害。多种信号通路可能参与调解PM2.5介导的炎症反应，但目前尚不清楚这些信号通路是如何相互协调。因此未来有必要进一步深入研究PM2.5的时间、空间分布特征和理化特征，分析不同理化成分的PM2.5对细胞的生物学效应。

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The mechanism of PM2.5 induced allergic, oxidative stress and DNA damage: a review

WANG Han-mei，SUN Ren-shan
Department of Dermatology, Daping Hospital and Research Institute of Surgery, 3rd Military Medical University, People’s Liberation Army, Chongqing 400042, China

Particulate matter (PM2.5) is an important element of atmospheric pollutant in city. Because of having the features such as small particle size, large area, strong activity, easy to carry toxic and harmful substances such as heavy metals, microorganisms, and the long stay in the atmosphere and long-conveyed distance, PM2.5 has a great impact on human health. At present, there are a lot of studies on the pathogenic mechanism of PM2.5, such as the change of immune function, the induction of oxidative stress and damage, gene mutation and DNA damage, but the pathogenic mechanism is not yet fully understood. In this paper, we review the pathogenic mechanisms of PM2.5.

PM2.5；Allergy；Oxidative stress；DNA damage

X513；R758.2

A

1674-1293(2017)02-0104-03

2017-01-11

2017-02-07）

（本文编辑 敖俊红）

10.11786/sypfbxzz.1674-1293.20170213

国家自然科学基金面上项目（81571569）

400042 重庆，第三军医大学大坪医院野战外科研究所皮肤科（王寒梅，孙仁山）

王寒梅，硕士研究生，医师，研究方向：皮肤变态反应性疾病，E-mail：812348609@qq.com

孙仁山，E-mail：pharsunr@126.com