PM2.5引起氧化应激反应及对心血管疾病的影响

臧文秀，陈 宇，陈 鹏，曹 旋 （.吉林大学中日联谊医院心血管内科，吉林 长春 00；.一汽总医院，吉林大学第四医院，吉林 长春 00；.长沙市第四医院，湖南 长沙 40006）

近年来随着人们生活方式的改变，环境污染的加重，冠心病发病率逐年增高，但其发病机制尚不完全明确。炎性反应与氧化应激可能与血管的内皮损伤存在着一定的联系，在冠状动脉粥样硬化发生、发展中起到了一定的作用。相关调查研究表明：较高浓度PM2.5下，心肌缺血后，活性氧（ROS）能够与不饱和脂质反应并引发细胞膜脂质过氧化的持续连锁氧化应激反应，从而引起氧化应激因子浓度的上调，如HO-1、SOD、HQO-1等，在保护动脉粥样硬化的形成中起着重要作用。

1 PM2.5的定义

PM2.5是指大气中空气动力学当量直径≤2.5μm的颗粒物，也称为可入肺颗粒物。PM2.5可以由硫和氮的氧化物转化而成，而这些气体污染物往往是人类对化石燃料（煤、石油等）和垃圾的燃烧造成的。细颗粒物（PM2.5）进入人体到肺泡后，直接影响肺的通气功能，使机体容易处在缺氧状态，对人体多脏器及系统造成严重的损伤，从而使心肌细胞缺血缺氧而致动脉粥样硬化。根据PM2.5检测网的空气质量新标准，24小时PM2.5平均值标准值在0～35之间，空气质量为优；在35～75之间空气质量为良；75～115之间为轻度污染’在115～150之间为中度污染；在150～250之间为重度污染；＞250及以上为严重污染。虽然PM2.5只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响，严重影响了人类的身体健康，必须引起高度重视。

2 动脉粥样硬化的定义及发病机制

冠心病是冠状动脉粥样硬化性心脏病的简称，是一种多种因素作用于不同环节所致的疾病，现有研究表明，性别、年龄、吸烟、高血压、血脂异常、糖尿病、肥胖及家族史等是其致病的主要的危险因素。动脉粥样硬化性心血管疾病是全球发病和死亡的主要原因［1］，子内皮中氧化低密度脂蛋白（ox-LDL）的沉积是动脉粥样硬化形成的特征来源和引发剂［2］。有调查数据显示，动脉粥样硬化作为一种慢性炎性疾病，其基本机制是氧化还原不平衡，使处于氧化还原状态的血管壁细胞，细胞因子和黏附分子的差异表达的差异最终导致冠状动脉粥样硬化的形成，这可能是动脉粥样硬化形成中早期的重要事件［3］。单核细胞和淋巴细胞黏附分子表达增加，移入内膜下成为巨噬细胞，氧化LDL-C形成氧化低密度脂蛋白（ox-LDL），导致血管内皮细胞损伤。氧化修饰脂蛋白的巨噬细胞分泌很多生长因子和促炎介质，促进动脉粥样硬化斑块的形成及炎性反应的发生。

3 PM2.5与冠心病的流行病学研究

在20世纪30年代，流行病学第一次研究了高水平的空气污染物和心血管疾病之间的关系。研究表明，当空气中PM2.5的浓度长期高于10μg／m2，心肺疾病带来的死亡风险上升6%［4］。另有流行病学研究证实，PM2.5与心血管疾病的发病率和死亡率的增加有着密切关系。在短期内增加空气污染，一天的时间内，可能会导致心肌梗死，并加剧心脏衰竭，导致死亡［5］。Huang，F等在2013年华东烟雾对中国上海冠心病门诊影响的研究中表明，与上海同期相比，CHD门诊访问量增加了 17%（95%CI：4%，28%）［6］。类似的研究结果也表明，霾日的急性心血管疾病日常发生率高于非霾日，急性心血管疾病与霾天数呈正相关［7］。进一步估计调查了广州短期暴露于霾和空气污染与入院相关的情况，在中国广州发生阴霾事件时，心血管疾病每日住院率增加了11%（95%CI：4%，19%）［8］。流行病学证据显示，空气污染与女性和男性呼吸系统健康之间存在着不同的关联。更多的研究报告表明，女性和女孩之间的影响力比男性和男孩都强［9］。Dai，J等在研究2006年到2011年对中国上海的空气污染与日常OHCDs（院内冠心病死亡）的关系中得出结论，PM10、PM2.5增加使OHCD死亡率分别上升了0.49%，0.68%［10］。大量研究表明，短期和长期暴露于PM2.5下，与人类冠状动脉粥样硬化程度之间存在着必要的关系。

4 PM2.5引起心血管疾病的机制

PM2.5引起心血管不良事件的可能机制包括：①诱发全身性炎症和氧化应激，导致炎性反应水平升高，如C-反应蛋白、促血栓形成和炎性细胞因子的水平增高。PM2.5颗粒优先到达肺泡，随后引起一系列生理和病理反应，纤维蛋白原在肺泡表面的分泌和炎性细胞的增量积累和通过高浓度PM2.5增强，诱导局部肺部发生炎性反应。最精细的成分（特别是超细颗粒），可以转运到血液循环系统和心肌细胞中，直接损伤内皮细胞，导致全身多脏器炎性反应［11］。曾有几位作者认为，血浆纤维蛋白原浓度的增加部分介导了CVD的风险。纤维蛋白原是血浆黏度和CHD的独立危险因素和重要决定因素［12］，这可能是由于空气污染引起的炎性反应。PM2.5暴露后，氧化应激启动了一系列的细胞反应，包括激活转录因子和炎性介质的释放，最终导致细胞损伤或细胞凋亡［15］。②直接转运到血液中，导致血液黏度增加，血栓形成，斑块侵蚀，导致动脉粥样硬化的破裂和加速；在急性和慢性暴露于PM2.5中，已经观察到增加的氧化胆固醇衍生物，例如7-酮胆固醇，可与炎性细胞因子和二次衍生自PM2.5诱导的血管炎性生长因子相互作用，并促进动脉斑块形成［11］。PM2.5可以通过上调清除剂受体（如CD36）来促进单核细胞和巨噬细胞的吞噬，导致泡沫细胞的形成增多，随后泡沫细胞从循环中流动到血管壁经由toll样受体4机制转移到血管内皮细胞，从而致其损伤。③另外，PM2.5可以使心脏自主神经系统失调，如心率加快和心率变异性的降低，甚至最终导致心律失常和心脏骤停。通过增加基础心率或动脉血压来增加心脏的氧需求［14］，心率变异性降低通常被视为心脏自主神经功能障碍的标志物［13］。然而，这些机制尚未完全明确，但是大多数学者认为细颗粒物导致机体炎性反应及氧化应激反应增强可能是其始动机制。且已有大量实验研究证实，PM2.5可诱导个体血清氧化应激因子浓度的上调，如HO-1、SOD、HQO-1等，而这些因子保护粥样斑块的稳定性、抑制血栓形成从而防止动脉粥样硬化的形成等作用。

5 氧化应激的概念及影响因素

氧化应激状态是指其中自由基或活性氧／氮物质（例如O2-、HM2O2、ONOO-）的水平高于正常水平，从而产生对机体许多不利的生物学效应（例如脂质／蛋白质／脱氧核糖核酸［DNA］氧化），引发促炎级联［16］。正常情况下，ROS在体内不断产生，调节其体内抗氧化酶处于一定的水平，如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（GSH-Px）或抗氧化剂（如谷胱甘肽）。在一定的外界因素影响下，如紫外线（UV）辐射、化学品、炎性因子，可导致细胞内ROS产生增加。过量的ROS的产生，超过了抗氧化酶和抗氧化剂的缓冲能力，提示平衡朝向更氧化状态［17］。ROS和NO在病理生理条件下，反应产生有毒的活性氮，特别是三氧化二砷和过氧亚硝基阴离子（ONOO-），并导致细胞成分（蛋白质）、染色体改变、蛋白质硝化、脂质过氧化及广泛DNA损伤和DNA链断裂，随后导致细胞功能障碍和细胞死亡［18］。基础条件下心脏自由基生成低，它通常是生理条件下线粒体电子传递链（电子）的电子泄漏的结果。缺血再灌注过程中，活性氧明显增加，来源于线粒体电子传递的损失和解偶联［19］。

6 氧化应激反应与冠心病的流行病学研究

Zhang ZH等在对110例行冠脉造影术的冠心病患者的斑块形态学分析中，得出氧化应激除了细胞毒性作用，还可影响细胞信号转导系统，细胞内氧化应激信号选择性诱导炎性反应相关基因表达（如MAPK信号途径），通过诱导甚至加剧炎性反应，或与炎症因子相互作用，从而导致冠状动脉斑块的破裂，从而增加了ACS及UA的发病率［20］。由此可见氧化应激反应可通过一系列的途径影响着动脉硬化的形成与发展。

7 HO－1与动脉粥样硬化

血红素-HI系统是内皮细胞完整性和氧化应激的调节因子［21］，是内源性一氧化碳（CO）的限速酶，其将血红素降解成一氧化碳，胆红素和铁［22］。动物实验和临床试验证实，HO-1酶在各种组织和细胞中表达，包括动脉粥样硬化病变和血管平滑肌细胞。血管内HO-1抑制血栓形成，HO-1在体外抑制血管平滑肌细胞增殖［23］。HO-1作为抗氧化损伤的细胞，其保护防御机制是通过胆红素及其代谢物胆红素的抗氧化活性，CO的抗感染、抗纤维蛋白溶解和血管扩张作用［24］。胆红素是作为一种有效的自由基清除剂，抑制还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）氧化酶活性［25］。由于胆红素降低氧化应激，高胆红素水平与低密度脂蛋白氧化的风险降低有关，并且阻碍了CAD［21］。最近的实验证据表明，HO-1增产提供细胞保护缺血／再灌注引起的氧化损伤或使用过氧化氢（H2O2）。其中最重要的下游靶激酶磷酸肌醇3-kinase（PI3K），是一个重要的信号分子激活抗凋亡剂，而细胞外signal-regulated激酶（erk）调解的另一个重要信号通路参与抗凋亡作用。一些研究报道，HO-1提供防止各种形式的压力通过PI3K／Akt的激活或ERK1／2信号通路从而抑制血栓形成［26］，由此可见，HO-1通过多种途径抑制血栓形成，防止动脉粥样硬化。

8 SOD与血管舒张

动脉粥样硬化是冠状动脉心脏病最常见的病理过程，代表着以内皮功能障碍和斑块破裂为特征的高度氧化应激状态［27］。由活性氧介导的氧化应激在动脉硬化的发展中起着重要的作用［28］，过度的ROS产生被认为是心肌IRI中的关键主要事件［29］。

SOD已被提出参与抑制动脉粥样硬化主要是抑制活性氧引起的改变，从而促进内皮依赖性血管舒张，抑制白细胞黏附到血管内皮，并改变血管细胞反应。SOD在NO生物利用度方面非常重要。NO诱导的血管松弛与血压调节有关。SOD调节血管舒张、血管收缩、血管重塑、心脏肥大和交感神经活动的神经元控制从而调节血压［30］。室旁核（PVN）中的血管紧张素II型1a受体（AT1aR）参与交感神经过度驱动和高血压［31］。SOD增强了对神经节阻滞，心脏交感神经活动和心脏交感神经传入反射的血压反应，阻止了血浆去甲肾上腺素水平升高，从而起到调节血压的作用［32］。

9 NQO－1与细胞抗氧化

已有研究表明NQO-1在心血管细胞中高表达，包括大鼠主动脉平滑肌A10和心脏的心肌细胞，以及正常人主动脉平滑肌细胞和内皮细胞，能够清除心血管细胞中的超氧阴离子（O-2）［33］，诱导NQO-1表达起着重要的作用，作为一个潜在的O-2清道夫，在抑制氧化应激和在动脉粥样硬化和再狭窄中有着直接抗氧化作用［34］。NQO-1是一种普遍存在的黄素蛋白，功能作为一种抗氧化剂，酶和外源性解毒剂。NQO-1催化醌氢醌，一二电子还原，因此，防止自由基的形成［35］。另一方面，NQO-1也被普遍认为是一种多功能氧化酶参与对电氧化醌代谢外源性细胞防御，NQO-1提供细胞保护自由基损伤、氧化应激作用［36］。有研究表明，NQO-1抑制动脉粥样硬化主要是通过调节Nrf2（核因子NF-E2相关因子2），在正常氧化条件下，Nrf2是位于细胞质中，绑定到Kelch-like相关蛋白1（KEAP1），从而抑制Nrf2的核易位。在回应氧化应激，Nrf2释放转位到细胞核，并激活上述基因的表达，发挥抗氧化保护作用［37］。据有关报道，抗氧化蛋白基因的表达是通过转录因子Nrf2活化调节，并进一步上调Nrf2及其靶基因，并最终引发NQO1激活各种抗氧化酶从而防止动脉粥样硬化的进展［38］。

10 现状与展望

虽然空气污染导致心血管疾病的患者病情急性加重的病理生理机制尚不能完全解释，例如炎性反应是由多个人体暴露研究于空气污染引起的，但是不确定是否氧化应激是由颗粒引起的炎性反应介导的，是否是炎性反应加剧了氧化应激反应；虽然从细胞培养和动物实验的结果表明，氧化应激参与其发病机制，人类暴露于环境颗粒物和氧化应激以及冠心病之间的关系的证据仍然缺乏，这种缺乏部分来自测量人体暴露于环境污染物浓度和评估对健康产生的影响［39］，但随着科学技术的发展及大量相关的人体及动物实验证据，此项理论会逐渐被人所证实，从而进一步了解PM2.5致心血管疾病的机制，从而防治冠心病，减少空气污染天气下冠心病的发病率。

11 参考文献

［1］ Yao J，Zou Z，Wang X，et al.Pinoresinol Diglucoside Alleviates oxLDL-Induced Dysfunction in Human Umbilical Vein Endothelial Cells［J］.Evid Based Complement Alternat Med，2016，2016：3124519.

［2］ Yao Y，Wang Y，Zhang Y，et al.Klotho ameliorates oxidized low density lipoprotein（ox-LDL）-induced oxidative stress via regulating LOX-1 and PI3K／Akt／eNOS pathways［J］.Lipids Health Dis，2017，16（1）：77.

［3］ Gottlieb MG，Schwanke CH，Santos AF，et al.Association among oxidized LDL levels，MnSOD，apolipoprotein E polymorphisms，and cardiovascular risk factors in a south Brazilian region population［J］.Genet Mol Res，2005，4（4）：691.

［4］ Pei Y，Jiang R，Zou Y，et al.Effects of Fine Particulate Matter（PM2.5）on Systemic Oxidative Stress and Cardiac Function in ApoE（-／-）Mice［J］.Int JEnviron Res Public Health，2016，13（5）：484.

［5］ de Oliveira-Fonoff AM，Mady C，Pessoa FG，et al.The role of air pollution in myocardial remodeling［J］.PLoS One，2017，12（4）：e0176084.

［6］ Fang H，Chen R，Shen Y，et al.The Impact of the 2013 Eastern China Smog on Outpatient Visits for Coronary Heart Disease in Shanghai，China［J］.Int J Environ Res Public Health，2016，13（7）：627.

［7］ Zhang JJ，Cui MM，Fan D，et al.Relationship between haze and acute cardiovascular，cerebrovascular，and respiratory diseases in Beijing［J］.Environ Sci Pollut Res Int，2015，22（5）：3920.

［8］ Zhang Z，Wang J，Chen L，et al.Impact of haze and air pollution-related hazards on hospital admissions in Guangzhou，China［J］.Environ Sci Pollut Res Int，2014，21（6）：4236.

［9］ Clougherty JE.A growing role for gender analysis in air pollution epidemiology［J］.Environ Health Perspect，2011，16（4）：2221.

［10］ Dai J，Chen R，Meng X，et al.Ambient air pollution，temperature and out-of-hospital coronary deaths in Shanghai，China.Environ Pollut，2015，203（4）：116.

［11］ Meng X，Zhang Y，Yang KQ，et al.Potential Harmful Effects of PM2.5 on Occurrence and Progression of Acute Coronary Syndrome：Epidemiology，Mechanisms，and Prevention Measures［J］.Int JEnviron Res Public Health，2016，13（8）：748.

［12］ Chen LH，Knutsen SF，Shavlik D，et al.The association between fatal coronary heart disease and ambient particulate air pollution：Are females at greater risk？［J］.Environ Health Perspect，2005，113（12）：1723.

［13］ Ye X，Peng L，Kan H，et al.Acute Effects of Particulate Air Pollution on the Incidence of Coronary Heart Disease in Shanghai，China［J］.PLoSOne，2016，11（3）：e0151119.

［14］ Pekkanen J，Peters A，Hoek G，et al.Particulate air pollution and risk of ST-segment depression during repeated submaximal exercise tests among subjects with coronary heart disease：the Exposure and Risk Assessment for Fine and Ultrafine Particles in Ambient Air（ULTRA）study［J］.Circulation，2002，106（8）：933.

［15］ Ghio AJ，Carraway MS，Madden MC.Composition of air pollution particles and oxidative stress in cells，tissues，and living systems［J］.JToxicol Environ Health B Crit Rev，2012，15（1）：1.

［16］ Brook RD，Rajagopalan S，Pope CA，et al.Particulate matter air pollution and cardiovascular disease：An update to the scientific statement from the American Heart Association［J］.Circulation，2010.121（21）：2331.

［17］ Kayama Y，Raaz U，Jagger A，et al.Diabetic Cardiovascular Disease Induced by Oxidative Stress［J］.Int J Mol Sci，2015，16（10）：25234.

［18］ Rajesh KG，Surekha RH，Mrudula SK，et al.Oxidative and nitrosative stress in association with DNA damage in coronary heart disease［J］.Singapore Med J，2011，52（4）：283.

［19］ Ansley DM，Wang B.Oxidative stress and myocardial injury in the diabetic heart［J］.J Pathol，2013，229（2）：232.

［20］ Zhang ZH，Zhou SH，Qi SS，et al.Oxidative stress and inflammation with angiographic morphology of coronary lesions in pa-tients with coronary heart disease［J］.Zhong Nan Da Xue Xue Bao Yi Xue Ban，2006，31（4）：556.

［21］ Han SW，Song W，Kim HS，et al.HMOX1 Gene Promoter Polymorphism is Not Associated with Coronary Artery Disease in Koreans［J］.Annals of Laboratory Medicine，2014，34（5）：337.

［22］ Chen SM，Li YG，Wang DM.Study on changes of heme oxygenase-1 expression in patients with coronary heart disease［J］.Clin Cardiol，2005，28（4）：197.

［23］ Lüblingh off N，Winkler K，Winkelmann BR，et al.Genetic variants of the promoter of the heme oxygenase-1 gene and their influence on cardiovascular disease（The Ludwigshafen Risk and Cardiovascular Health Study）［J］.BMC Medical Genetics，2009，10（1）：36.

［24］ Bai CH，Chen JR，Chiu HC，et al.Shorter GT repeat polymorphism in the heme oxygenase-1 gene promoter has protective effect on ischemic stroke in dyslipidemia patients［J］.Journal of Biomedical Science，2010，17（1）：12.

［25］ Oh SW，Lee ES，Kim S，et al.Bilirubin attenuates the renal tubular injury by inhibition of oxidative stress and apoptosis［J］.BMCNephrol，2013，14（1）：105.

［26］ Yang X，Jiang H，Shi Y.Upregulation of heme oxygenase-1 expression by curcumin conferring protection from hydrogen peroxide-induced apoptosis in H9c2 cardiomyoblasts［J］.Cell Biosci，2017，7：20.

［27］ Souiden Y，Mallouli H，Meskhi S，et al.MnSOD and GPx1 polymorphism relationship with coronary heart disease risk and severity［J］.Biological Research，2016，49：22.

［28］ 田昌伟.超氧化物歧化酶2（SOD2）基因C47T变异与冠心病关系的研究［D］.山东大学，2012.

［29］ Liu X，Yu Z，Xian H，et al.Peroxisome proliferator-activated receptor gamma（PPARgamma）mediates the protective effect of quercetin against myocardial ischemia-reperfusion injury via suppressing the NF-kappaB pathway［J］.Am J Transl Res，2016，8（12）：5169.

［30］ Eskandari-Nasab E，Knarazinejad E，Nakhace A，et al.50-bp Ins／Del polymorphism of SOD1 is associated with increased risk of cardiovascular disease［J］.Acta Med Iran，2014，52（8）：591.

［31］ Fan ZD，Zhang L，Shi Z，et al.Artificial microRNA interference targeting AT（1a）receptors in paraventricular nucleus attenuates hypertension in rats［J］.Gene Ther，2012，19（8）：810.

［32］ Yuan N，Zhang F，Zhang LL，et al.SOD1 gene transfer into paraventricular nucleus attenuates hypertension and sympathetic activity in spontaneously hypertensive rats［J］.Pflugers Arch，2013，465（2）：261.

［33］ Zhu H，Jia Z，Mahaney JE，et al.The highly expressed and inducible endogenous NAD（P）H：quinone oxidoreductase 1 in cardiovascular cells acts as a potential superoxide scavenger［J］.Cardiovasc Toxicol，2007，7（3）：202.

［34］ Gum SI，Shin HM，Cho MK.The small GTPases regulate HMC05-induced NQO-1 expression with an antioxidant effect in smooth muscle cells［J］.Biol Pharm Bull，2014，37（10）：1626.

［35］ Basma HA，Kobeissi LH，Jabbour ME，et al.CYP2E1 and NQO1 genotypes and bladder cancer risk in a Lebanese population［J］.Int JMol Epidemiol Genet，2013，4（4）：207.

［36］ Bak MJ，Jun M，Jeong WS.Procyanidins from wild grape（Vitis amurensis）seeds regulate ARE-mediated enzyme expression via Nrf2 coupled with p38 and PI3K／Akt pathway in HepG2 cells［J］.Int J Mol Sci，2012，13（1）：801.

［37］ Moritani C，Kawakami K，Fujita A，et al.Anti-oxidative activity of hydrolysate from rice bran protein in HepG2 cells［J］.Biol Pharm Bull，2017.

［38］ Ha AW，Na SJ，Kim WK.Antioxidant effects of fucoxanthin rich powder in rats fed with high fat diet［J］.Nutr Res Pract，2013，7（6）：475.

［39］ Kim K，Park EY，Lee KH，et al.Differential oxidative stress response in young children and the elderly following exposure to PM（2.5）［J］.Environ Health Prev Med，2009，14（1）：60.