大气PM2.5暴露致呼吸道微生态失衡对呼吸系统损伤相关研究进展

肖纯凌

（沈阳医学院，辽宁省环境污染与微生态重点实验室，辽宁 沈阳 110034）

目前，大气污染形势依然严峻，以细颗粒物（PM2.5）为特征的大气污染物导致秋冬季节重污染天气频发，不仅影响交通运输，还造成严重的健康危害。有研究发现儿童哮喘的急诊就诊率和住院率随PM2.5浓度的增高而升高［1-2］。第三次中国城市儿童哮喘流行病学调查发现，我国城区0～14岁儿童哮喘总患病率已达3.02%（95%CI：2.97%～3.06%），部分城市的儿童哮喘患病率已接近8%［3］。一项纳入30篇文献的Meta分析发现，1990年至2014年我国年龄≥40岁人群慢性阻塞性肺疾病（COPD）患病率呈现缓慢上升趋势，其中男性人群患病率高于女性，且COPD患病率随年龄增长而上升［4］。已有文献报道，PM2.5及其化学组分可通过氧化应激和炎性损伤，引发和加重各种呼吸系统疾病，导致呼吸系统疾病患病率升高［5-6］。众所周知，人类的呼吸道定植着特有的微生物群落，呼吸道微生态是维持呼吸道健康的关键，呼吸道菌群能够抵抗呼吸道致病菌的定植，在维护呼吸道生理和维持免疫稳态中发挥作用［7］。细菌或病毒感染、接触过敏原、暴露空气污染等都可引起气道炎症，从而改变呼吸道微环境，呼吸道微生物菌群的紊乱，又会引发进一步的气道炎症［8］。已有的研究发现体内的微生物菌群的变化，与呼吸系统疾病的发生、进展存在密切关联。吸道微生物组的模式被描述为“短暂但不定居（transient but not resident）”，反映了其组成复杂和动态变化的特性［9］。

重度污染（雾霾）发生时，环境微生物菌群变化的研究结果显示，雾霾天总微生物的数量在微细颗粒中增加，PM2.5、SO2、NO2和空气质量指数（AQI）等在雾霾天与空气微生物浓度呈显著正相关［10］。空气中微生物数量的增加会直接影响雾霾天的空气质量。另一项有关非雾霾天和雾霾天的生物气溶胶分布差异的研究结果表明，在非雾霾天和雾霾天的生物气溶胶在不同粒径上的分布差异不大，可存活生物气溶胶浓度与PM2.5（AQI）呈负相关［11］。有研究已经验证吸烟和大气污染均可导致环境微生物分布发生变化，亦可以导致呼吸道口咽部微生态变化［12-13］，并且伴有明显的炎症反应发生［13］。通过对微生物组的研究发现，微生物菌群可以调节炎症反应［14-16］。本研究就大气PM2.5暴露致呼吸道微生态失衡对呼吸系统损伤相关研究进展进行综述。

1 PM2.5等空气污染物和菌群失调均与儿童哮喘发作和严重程度相关

大量人群流行病学资料表明室内外空气污染物可诱发并加剧哮喘症状，哮喘的急诊就诊率和住院率随PM2.5等污染物浓度的增高而升高［17-21］。PM2.5等空气污染物诱发和加重哮喘的机制涉及免疫-炎症反应、氧化应激、调控基因的表观遗传学改变等［22-25］。近年的研究发现，菌群失调与儿童哮喘发作有关。一项对308名儿童（一半患有哮喘）进行的研究表明，当同时检测到病原微生物时，严重呼吸道疾病或哮喘恶化的风险显著增加［26］。支气管细菌群落组成与哮喘患者的气流阻塞程度和高反应性相关，但随着哮喘严重程度的增加，关联的性质会转变。在轻度哮喘患者中，细菌多样性与支气管高反应性程度呈负相关［27］，而在严重哮喘中，较低的细菌多样性与更严重的气流阻塞有关［28］，表明在整个疾病发展进程中，呼吸道微生物菌群具有不同的病理作用特征。此外，对于不同表型的哮喘患者，哮喘患者气道微生物群落及其与宿主的相互作用也存在差别。总而言之，气道菌落特征差别是造成哮喘严重程度和表型的差别原因之一［27，29-30］。

在微生物菌群与哮喘发作机制研究方面也取得一定的进展。与病毒和细菌病原体同时存在于呼吸道的菌落具有增强气道中细胞募集和炎症的能力，增强特应性哮喘中过敏原的炎症反应［31-32］。哮喘儿童上呼吸道的由卡他莫拉菌主导的菌群增强的聚糖代谢以及其他已知的细菌毒力途径，可以激活气道炎症过程［33-34］。暴露于卡他莫拉菌的肺上皮细胞的体外研究显示了可以强烈诱导促炎细胞因子IL-8的改变［35］。另外，已有研究显示使用卡他莫拉菌、肺炎链球菌或流感嗜血杆菌刺激外周血单核细胞可以强烈诱导IL-5、IL-13和IL-17等细胞因子的产生［36-37］。表明在没有呼吸道病毒的情况下细菌也可以诱发或加重哮喘。

2 PM2.5和呼吸道微生物组变化均会影响免疫应答，导致CO PD病情恶化

大量细胞实验、动物实验和人群研究表明，PM2.5可引起呼吸道产生氧化应激和加重炎症反应，导致COPD病情的恶化［38-40］。微生物组在形成和调节免疫反应和维持宿主免疫稳态方面起着至关重要的作用［41］。宿主细菌生态学的变化会对免疫亚群，包括Th1∕Th2的平衡和Th17、调节性细胞、自然杀伤细胞的生长分化等产生深远的影响从而导致疾病易感性［42-43］。有学者描述肺免疫应答与肺微生物组之间的相互作用为“阴阳模型”；下呼吸道微生物组与免疫应答之间存在着动态平衡［44］。肺微生物组和上气道的富集可以影响宿主免疫状态。有研究通过对比对照组和COPD（GOLD 4级）患者的肺组织中V3-V5区的16S rDNA，发现微生物多样性的下降与肺气肿组织破坏、支气管和肺泡组织的重塑有关，而肺组织则被CD41 T细胞浸润，说明对肺微生物组的宿主免疫应答可能对COPD发病机制有贡献［45］。

痰液是通过呼吸道单层纤毛上皮的纤毛运动排出肺部的，痰液的指标可以反映深部肺组织的生理状态。有些研究使用诱导痰液研究了下呼吸道的炎症状态［46］。肺部微生态失调可以诱导IL-8的表达，痰液中的IL-8与肺部微生物多样性和菌群构成相关［47］。

3 东北地区冬季采暖期大气污染可能与健康呼吸道菌群失衡相关

计安东等［48］的研究采用时间分层交叉设计分析延边朝鲜族自治州2015至2016年PM2.5浓度与呼吸系统疾病死亡间的暴露-反应关系，结果发现呼吸系统疾病死亡率随着PM2.5浓度升高而增加。呼吸道菌群是维护人类呼吸道健康的重要因素，动物实验研究结果发现大气污染物暴露可造成Wistar大鼠口咽部致病菌增加，气管及肺泡上皮的渐进性损伤且损伤随着污染物浓度增加而加重，大气污染物引起的呼吸道疾病可能和呼吸道菌群失衡有关［49］。郭杰［50］通过对大气污染物浓度与非特异性支气管炎死亡人群数据进行相关分析，研究发现沈阳市2013年至2015年大气污染物浓度致非特异性支气管炎日死亡人数增加，女性要高于男性，对65岁以上人群要高于65岁以下人群，采暖期高于非采暖期，差异均有统计学意义；同时该研究对Wistar大鼠进行PM2.5染尘模型制作，采用16S rRNA高通量测序技术分析发现：染尘组呼吸道菌群丰度高于对照组，且染尘组优势菌最多的是变形菌门、厚壁菌门、放线菌，在属水平中优势菌是未确定的菌属、罗氏菌属、链球菌属和铜绿假单胞菌属，进一步验证了大气污染物可能通过呼吸道菌群失调导致人群非特异性支气管炎的发生发展。严思远［51］通过建立 PM2.5暴露模型，探讨了 PM2.5暴露对CB17-SCID肺癌荷瘤小鼠呼吸道菌群的影响，结果发现PM2.5可引起小鼠呼吸道菌群紊乱，致病菌的易感性增加。为探讨空气污染与呼吸道微生物群的关系，选取东北地区冬季采暖期18～21岁健康志愿者114人，轻度污染区35人，中度污染区40人，重度污染区39人。从拭子样本中提取微生物基因组DNA，利用16S rRNA测序，检测志愿者口咽菌群组成，并对志愿者进行肺功能测试。初步发现相比大气污染程度为轻度的地区，中度、重度地区人群口咽菌群拟杆菌门相对丰度显著降低；普雷沃菌属、奈瑟菌属、嗜血杆菌属、噬二氧化碳细胞菌属相对丰度明显下降，在普雷沃菌属上差异最大；且中度、重度地区志愿者肺功能有降低趋势。提示肺功能与空气污染有关，在高、中、低空气污染区口咽微生物群不同。因此，在东北冬季供暖期，口咽微生物群失衡可能是由空气污染引起的，可能与青年人肺功能损害有关［52］。

因此，研究大气细颗粒物与呼吸系统疾病的联系及其机制，只关注PM2.5及成分对健康影响是不够的，还需要研究大气PM2.5及成分污染特征下，人群活动的室内外环境中微生物的种类及其含量的变化，PM2.5如何干扰呼吸道菌群的平衡甚至破坏这种平衡，呼吸道菌群失衡与PM2.5共同作用下会对呼吸系统造成什么影响，这样才能揭示大气细颗粒物可能诱发的呼吸系统损伤作用机制，全面阐述大气细颗粒物的生物效应与健康危害，这不仅是降低大气细颗粒物污染疾病负担，保护人群健康，迫切需要解决的关键科技问题,而且可以促进我国环境污染与健康领域研究的跨越发展,为修订大气细颗粒物标准提供科学依据,为临床呼吸系统疾病的诊断、靶向治疗提供新的思路，具有重要的科学意义和应用价值。