PM2.5呼吸系统毒性的研究进展

王婷婷 张秀芳 宋 磊

(淄博市第一医院中西医结合科，山东 淄博 255200)

大气颗粒污染物(PM)已经成为人类关注的重要公共问题之一。近年来，随着空气污染的逐渐加重，人类呼吸系统疾病如哮喘、慢性阻塞性肺疾病(COPD)、肺癌等发病率在全国范围内呈上升趋势。PM2.5是大气颗粒污染物的主要组分，可以携带细菌和有毒化学物质进入下呼吸道并不易排出。本文就PM2.5的一般理化性质、PM2.5与呼吸系统疾病的流行病学研究及PM2.5对呼吸系统损伤的相关机制进行综述。

1 PM2.5简介

1.1PM2.5的定义及来源 大气中的固体或液体颗粒状物质称为颗粒物，其中颗粒物又可以按照空气动力学直径分为可吸入颗粒和总悬浮颗粒物(TSP)。在TSP中PM2.5是空气动力学直径≤2.5 μm的颗粒物，又称细颗粒物。PM2.5来源复杂，根据形成方式不同概括为人为来源、自然来源及生成的二次颗粒来源〔1〕。人为来源包括各种工业生产和生活过程的能源燃烧、烟尘排放和交通工具的尾气排放，同时也是PM2.5的主要来源。自然来源主要是自然界的灾害事件如火山爆发、沙尘暴事件。另外，空气中某些有机化合物如二氧化硫、氮氧化物和氨气可以经化学反应产生二次颗粒，也是PM2.5的重要来源。

1.2PM2.5的组成及作用特点 PM2.5的组成十分复杂，随着地域变化差别较大〔2〕，包括有机成分、无机成分和生物成分。其中有机成分主要为脂肪烃、芳烃、多环芳烃和醇、酮、酸、脂等。无机成分包括汞、铅、镉、锌、锰等重金属，另外还包括病毒、细菌和真菌等生物成分。PM2.5使空气能见度严重降低，给环境带来重要影响，同时由于PM2.5表面积大，更容易携带空气中的有害物质，如PM2.5的多环芳烃苯并芘对人体有致癌作用，并在空气中长时间悬浮，增加了对呼吸道的暴露机会。另外，PM2.5相对于其他粗颗粒体积较小，因此能够随人类呼吸到达肺组织深部，穿过肺泡随血液循环流动到达全身各处，对多系统造成损害〔3，4〕。

2 PM2.5与呼吸系统疾病的流行病学调查

大量流行病学资料表明PM2.5与多种呼吸道疾病如COPD、哮喘、肺癌等的发生发展具有相关性〔5，6〕。对北京城市地区2013年PM2.5污染程度与当地某医院急诊科收治的呼吸系统相关疾病进行相关性分析，发现慢性阻塞性肺疾病急性加重(AECOPD)的门诊量与PM2.5的污染程度呈显著相关性，另外女性及老年人对PM2.5相关的呼吸系统疾病有更明显的易感性〔7〕。研究者通过分析哮喘患者加重时的用药情况、呼吸频率、并发症等指标评估患者哮喘发作的严重程度与当地PM2.5的污染情况对比分析，认为哮喘急性加重期间症状最明显的PM2.5浓度分布在4.00～7.06 μg/m3，提示PM2.5与哮喘急性加重之间的相关性程度在不同PM2.5浓度中可能不是恒定的〔8〕。对北京地区2008～2014年PM2.5的严重程度、气候条件和流感样症状综合分析，发现PM2.5污染严重可导致流感样症状的发生率增加，在青年和中年人群中这种相关性更加明显〔9〕。Fu等〔10〕基于不同地区PM2.5严重程度和人口数据在全国范围内观察PM2.5与肺癌的关系，认为在中国，PM2.5暴露能够增加肺癌的风险，PM2.5的长期暴露无论是在男性群体还是女性群体中都能增加肺癌的死亡率。美国一项研究调查分析了PM2.5的成分来源与呼吸科门诊量的关系，认为造成呼吸科门诊量增加的PM2.5成分主要与生物质燃烧有关，而与汽车尾气、灰尘来源可能不相关〔11〕。

3 PM2.5影响呼吸系统疾病的作用机制

3.1PM2.5与氧化应激 大量体外细胞实验及动物实验发现PM2.5会引起活性氧(ROS)产生增多。经过PM2.5暴露的小鼠，在外周血液上清中及肺组织和心脏组织中ROS增多〔12，13〕。ROS是机体产生的一种正常代谢产物，同时人体内还存在一种抗氧化系统，正常情况下，各组织器官处于氧化/抗氧化系统平衡状态，当两种系统失衡时，过多的氧化产物可对人体造成损害。研究表明，PM2.5因携带大量的重金属、多环烃类等物质刺激气道经过巨噬细胞吞噬代谢作用等使气道产生ROS，而自由基可连锁反应产生更多自由基，同时抗氧化物质被过度消耗，使机体氧化/抗氧化系统失衡。过多的ROS可以对气道上皮细胞和肺泡细胞产生一系列损害，包括细胞结构的破坏，激活炎症相关转录因子促进炎症介质的释放，是导致呼吸系统疾病的重要因素。据报道PM2.5可以通过诱导肺泡上皮细胞线粒体复合物Ⅲ产生过量的ROS，并通过凋亡信号调节激酶1/c-Jun氨基末端液酶(ASK1/JNK)和p53的激活促进肺泡上皮细胞凋亡〔14〕。核转录因子E2相关因子(Nrf)2是内源性抗氧化酶表达所必需的转录因子，有研究指出Nrf2介导了ROS引起的PI3K/AKT信号通路的激活，作为一种防御因子，抵抗氧化应激对A549细胞造成的损害〔15〕。因此Nrf2相关通路的研究可以为细颗粒暴露引起的呼吸道氧化应激损伤治疗策略提供参考价值。

3.2PM2.5与炎症反应 PM2.5与炎症反应密切相关。而炎症反应机制与哮喘、COPD和肺炎等呼吸道疾病密切相关。用一定浓度PM2.5刺激小鼠气道，可以引起小鼠气道高反应〔16〕，这与哮喘的症状相似。有研究将收集到的PM2.5对小鼠进行经鼻滴入，2 w后发现小鼠气道反应性增高，支气管肺泡灌洗液中嗜酸粒细胞、白细胞介素(IL)-5、IL-22、嗜酸细胞活化趋化因子增高，产生哮喘样气道炎症反应〔17〕。将人支气管上皮细胞暴露于PM2.5中，检测基因表达情况，发现发生明显变化的有539个基因，其中包括大量与炎症、代谢反应相关的基因，如丝裂原活化蛋激酶(MAPK)信号传导相关基因，并发现IL-6表达明显增多〔18〕。有研究将幼年小鼠和老年小鼠分别暴露于汽车尾气中，检测小鼠肺组织炎症因子的产生，发现IL-6和IL-8都表达增加，而老年小鼠的变化更加明显，老年小鼠对汽车尾气敏感性更高，提示老年人对细颗粒物引起的肺部疾病易感性更高〔19〕。进一步揭露具体分子机制时，发现许多信号通路参与了PM2.5引起的炎症反应。在Nrf2基因敲除小鼠中，PM2.5暴露引起的气道氧化应激可以引起更加明显的过敏性哮喘样症状〔20〕。另外引起气道炎症反应的主要是多环芳烃类等有机物，因此城市中大量汽车尾气的排放对气道炎症起了主要作用。

3.3PM2.5与免疫异常 呼吸系统的防御系统包括固有免疫系统和适应性免疫系统，参与的免疫细胞包括肺巨噬细胞、树突细胞、肥大细胞和淋巴细胞等，肺泡巨噬细胞通过对进入肺内的颗粒物的吞噬作用发挥免疫防御。Toll样受体(TLR)4主要表达于单核-巨噬细胞表面，是识别相关病原体模式的一种模式识别受体，是参与非特异性免疫(天然免疫)的一类重要蛋白质分子，在PM2.5相关的免疫应答中发挥重要作用。PM2.5可以引起肺泡巨噬细胞中肿瘤坏死因子-α的表达，促进细胞凋亡。Shoenfelt等〔21〕发现PM2.5能够诱导肺组织和肺泡支气管灌洗液中TLR4的表达下调，外周单个核细胞中TLR4表达上调，并引起Th1/Th2细胞失衡，导致免疫功能紊乱。He等〔22〕收集城市环境中PM2.5(U-PM2.5)和沙尘暴来源的PM2.5(ASD-PM2.5)，分别对小鼠气管滴入，发现两种PM2.5都能引起肺组织中 F4/80+CD11b+细胞(M1型巨噬细胞)产生，但ASD-PM2.5诱导产生的CD206+F4/80+CD11b+细胞(M2型巨噬细胞)相比更多。M2型巨噬细胞能够诱导Th2型细胞，主要参与急慢性炎症反应，提示ASD-PM2.5可引起Th2相关的免疫应答。ASD-PM2.5与U-PM2.5有着较大的组分差异，提示PM2.5 中的不同组分对呼吸系统可能会产生不同的免疫应答。

3.4PM2.5与DNA损伤 DNA损伤是细胞复制过程中发生的DNA核苷酸序列或性状发生的遗传性改变，内外界因素可以导致肺泡或支气管上皮细胞DNA的破坏，进而诱导细胞凋亡或发生变异，并与细胞癌变密切相关。对PM2.5暴露的小鼠心脏组织和肺组织进行检测发现，在心脏组织中有181个上调基因和178个下调基因，在肺组织中14个上调基因和43个下调基因，每个变化基因的上调或者下调有2～3倍的变化〔23〕。PM2.5诱导机体内与癌变相关的生物学变化与其包含的多种金属成分等有关，除了氧化应激、免疫抑制和慢性炎症等，最近已表明PM2.5可以通过DNA甲基化机制改变基因表达〔24〕。p53作为抑癌基因发生突变或沉默会参与到肿瘤的发生发展，在研究PM2.5与肺癌的相关关系中，Zhou等〔25〕将人支气管上皮细胞(BEAS-2B)暴露于低浓度的PM2.5 10 d，结果发现p53启动子甲基化程度增高，进一步研究相关的调控机制认为PM2.5刺激BEAS-2B细胞，生成过量ROS并诱导Akt激活，通过ROS-Akt-DNMT3B通路介导的启动子超甲基化诱导P53的表观遗传沉默，从而参与PM2.5导致肺癌机制。有研究提示，在外周血白细胞中APC、p16、p53和RASSF1A的DNA甲基化水平增高，并与暴露的PM中高成分的金属成分具有相关性〔26〕。

综上，PM2.5与呼吸系统疾病的发生密切相关，可通过诱导氧化应激反应、炎症反应和免疫异常等多种机制导致呼吸系统的损伤。

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