孕期PM2.5暴露对子代影响的研究进展

丁丽娜 李志华

(广州医科大学附属第三医院 胎儿医学科、广东省产科重大疾病重点实验室、广东省普通高校生殖与遗传重点实验室，广东 广州 510150)

1 PM2.5简介

PM2.5一般指环境空气中空气动力学当量直径≤2.5μm的颗粒物，燃煤和交通排气均是城市PM2.5的主要来源，其化学成分包括元素碳、有机碳、无机成分和微量重金属元素，其中重金属和多环芳烃类物质是PM2.5的主要毒性成分，一些具有潜在毒性的元素，如铅、镉、镍、锰、钒、溴、锌及苯并芘等，主要吸附在≤2.5μm的颗粒物上，而这些小颗粒易沉积于肺泡区，容易被血液吸收。毒理学实验已经表明金属元素是大气颗粒物中造成健康危害的可能性成分，其中铅暴露是胎儿各类先天畸形及神经系统畸形发生的原因之一[1]。PM2.5 通过呼吸进入母体血液循环，影响母体的内分泌及免疫系统。此外，吸附在颗粒物上的毒性物质可通过胎盘直接渗透，引起胚胎或胎儿氧化应激和遗传物质改变[2]。虽然目前已经针对普通人群开展了空气污染预警预报，在一定程度上提高了人群的自我防护意识，但与普通人群相比，孕妇对PM2.5更为敏感，受到的不良影响后果也更严重。然而，目前还没有针对孕妇这一特殊人群的空气污染预警预报标准。

2 孕期PM2.5暴露对子代的影响

许多学者在流行病学和动物实验方面对孕期PM2.5暴露与子代结构或功能异常的关系进行了研究，结合临床统计数据分析及动物实验研究，孕期PM2.5暴露对子代的影响分为胚胎期胚胎染色体异常、先天性结构畸形、胎儿炎症、早产及低体重儿和远期并发症如出生后呼吸系统疾病、高血压疾病、糖尿病、肥胖、神经系统疾病、生殖功能及子代寿命。

2.1 PM2.5与子代染色体异常 有研究报道，PM2.5对子代染色体和DNA等遗传物质产生毒性作用，包括染色体结构与数目畸变、DNA 突变等。动物实验发现，空气颗粒物污染可引起亲代小鼠的生殖细胞发生基因突变，进而将这种突变遗传给子代[3]。此外，Jurewicz等[4]发现PM2.5与子代XYY综合征和21-三体综合征的发生有关，这表明PM2.5具有遗传毒性，可能增加动物繁殖过程中的遗传物质基因突变。鉴于空气污染物的种类繁多和染色体异常致病原因的复杂性，空气污染对染色体异常相关性的研究较为困难，至今仅有少量证据证明二者具有相关性，仍需要更多的研究证实。

2.2 PM2.5与子代先天结构畸形 先天结构畸形是导致流产、死胎、死产及新生儿死亡的重要原因，遗传、环境因素和宫内感染均可导致先天性结构畸形的发生。最近，美国一项对俄亥俄州2006～2010年出生婴儿的先天异常与PM2.5的浓度进行分析，并对复杂危险因素进行了归一化，发现孕期PM2.5暴露的增加与先天性畸形风险的增加有关，并证实了最易受影响的时间是在受孕前后1个月，且PM2.5最易导致的结构畸形是腹壁缺损和尿道下裂[5]。同样的，我国西安地区一项孕期空气污染与出生缺陷相关性的调查研究发现孕早期环境空气污染物暴露使新生儿出生缺陷风险增加10.3%/10μg/m3，并与子代先天性心脏病、唇裂伴或不伴腭裂有关[6]。然而，中国银川的一项研究提示孕期PM2.5暴露对子代肌肉骨骼异常的影响不显著[7]。这可能与子代不同组织器官对空气污染物敏感程度不一致所致。此外，多项研究表明孕期空气污染物可造成子代心血管疾病的增加。中国武汉出生队列研究发现孕期暴露空气污染与胎儿心血管疾病有关[8]，随着PM2.5暴露的增加，子代患先天性心脏病的风险增加，尤其是室间隔缺损(ventricular septal defect，VSD)[9]、以及心脏功能的改变，如左心室体积分数增加、左心房总体积减少、心肌细胞体积增加等，并且其对心功能及相关胎儿/胎盘参数的影响取决于PM2.5暴露的妊娠期[10]。此外，另有研究报道孕早期PM2.5暴露可对子代心血管产生不良影响。Tanwar等[11]研究表明PM2.5对妊娠早期心血管的影响最为显著，动物实验发现PM2.5可通过引发胚胎小鼠心脏的急性炎症反应，从而激活心肌中的基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMPs)，尤其是MMP-9，从而降解心肌细胞外基质(extracellular matrix，ECM)中的胶原蛋白，进而沉积在心肌细胞，引起心肌基质重塑，导致成年鼠心脏结构和功能发生改变，主要表现在心肌收缩力减弱、心肌纤维化和心肌组织质量降低等方面，最终引发不同程度的心功能障碍[12]。类似的，Warren等[13]研究表明妊娠第53天PM2.5暴露增加与胎儿法洛四联症发生之间存在相关性。上述研究表明PM2.5暴露与子代心血管疾病的相关性，其分子机制有如下报道阐明。Stapleton等[10]研究发现PM2.5暴露可导致胎儿表观遗传修饰的改变，影响胎儿多种基因表达，进而导致细胞各种不良反应，包括氧化应激和释放促炎介质。Chen等[14]通过动物实验研究发现孕期PM2.5的暴露可以降低胚胎小鼠心脏发育过程中转录因子GATA-4和Nkx2-5的表达水平，这两者都是心脏形成的关键因子，其表达下调会增加胚胎心脏组织结构异常的风险，出现心血管畸形，会导致出生后先天性心血管疾病。综上所述，PM2.5暴露可能对子代心血管疾病发生发展具有重要作用，提示加强对孕期空气污染物的监管以及限制产前空气污染物暴露可能降低子代心血管疾病的发病风险。

2.3 PM2.5与胎儿炎症 胎儿炎症反应综合征是胎儿体内先天免疫系统被激活的一种状态，可导致早产、围生儿死亡和胎肺不成熟等不良后果，最新研究表明空气污染可导致新生儿的炎症状态。Liu等[15]的临床研究发现，PM2.5暴露导致胎盘血管血栓和绒毛膜炎，而二者在胎盘损伤中起重要作用。氧化应激可能是PM2.5介导胎儿炎症的一种分子机制，最近研究表明孕期PM2.5暴露会影响母体和胎儿血液中氧化应激生物标志物线粒体8-羟基-2'-脱氧鸟苷(8-OHdG)水平[16]。另有研究报道，PM2.5导致的胎儿炎症还可通过免疫细胞发挥作用，妊娠大鼠长期暴露在PM2.5环境中，会增加母鼠的免疫细胞，导致细胞因子和自由基迅速积聚在羊水中，影响胎儿发育。PM2.5还可以通过胎盘表观遗传学机制影响胎儿炎症。瘦素(Leptin，LEP)是一种参与胎儿生长发育的能量调节激素，其表达水平的降低可影响胎儿发育，研究发现胎盘LEP基因启动子甲基化状态与妊娠中期PM2.5暴露呈负相关，与胎盘氧化应激的标志物3-NTp呈负相关[17]。以上研究表明，PM2.5暴露对胎儿炎症的影响主要通过母体免疫、母体血液和胎盘的氧化应激等介导。

2.4 PM2.5与早产 早产(preterm birth)指妊娠满28周至不足37周间分娩者。加拿大一项孕妇大样本调查发现，当孕妇PM2.5暴露浓度仅增加2 μg /m3时，发生早产的风险增加4%，如果孕妇伴有糖尿病、先兆子痫时会使早产的风险分别增加10.6%和8.3%[18]。此外，DeFranco等[19]研究发现孕期暴露于高水平的PM2.5可导致子代早产的风险增加19%，而Kingsley等的调查发现孕妇暴露于低浓度的PM2.5( 2.5 μg/m3) 时，发生早产的风险升高1.04倍，且新生儿的体重平均减少15.9g，2项研究提示暴露影响与暴露的剂量有关。然而，Kingsley等[20]认为妊娠期暴露PM2.5虽可降低新生儿体重，但与早产没有明显的相关性(OR=0.86)。同样，Pereira等[21]研究提示妊娠中期PM2.5暴露较高的孕妇发生胎膜早破的风险比其他低暴露的孕妇高，但是没有足够的证据表明其与早产有关。以上研究结果不一致的原因可能与PM2.5暴露时长、浓度和颗粒物所含成分以及所采用调查方法、统计分析方法不同有关，需要统一大样本研究背景、方法或动物实验去验证。

2.5 PM2.5与低体重儿 世界卫生组织将低体重儿定义为出生时体重不足2499g的婴儿[22]。多项研究报道[23-27]孕期暴露于污染空气会导致低体重儿，其与胎儿生长受限有关[28]，影响胎儿双顶径及股骨长度等生长发育指标，进而影响胎儿的出生体重[25]。Janssen等[29]研究提示甲状腺激素对胎儿的发育和生长至关重要，而PM2.5暴露与脐血甲状腺激素水平呈负相关。Zhu等[30]认为PM2.5通过影响NO和ET-1的表达，影响脐静脉血管舒缩功能，通过改变脐带血管结构，降低其直径和管腔面积，增加血管壁厚度，随着PM2.5的增加，胎儿血栓性脉管炎发生率增加[31]，故胎儿可能因血供不足而导致低体重的发生。Kingsley等[32]研究提示母亲暴露在PM2.5与胎盘印迹基因(胎儿生长的重要调节因子)表达的变化有关。以上研究表明PM2.5可通过不同作用机制影响胎儿体重。

2.6 PM2.5与子代呼吸系统疾病 孕期PM2.5暴露可增加子代呼吸系统疾病发病风险。最近研究发现PM2.5暴露可增加胎儿窘迫的风险，胎儿窘迫是一种有害的胎儿状态，可能导致胎儿脑损伤，甚至胎儿死亡，孕妇暴露于每10μg/m3的PM2.5水平使胎儿窘迫的风险增加25%33。此外，孕期PM2.5暴露可使胎儿出生后容易患呼吸系统疾病[34-36]，比如增加儿童患哮喘的风险，尤其是心理压力增加情况下，对男孩的影响大于女孩[37]。Tang等[38]通过动物实验，揭示母鼠孕期暴露PM2.5会导致胎儿肺部功能障碍，其中肺上皮细胞上皮-间充质转化(epithelial-mesenchymal transition，EMT)可能在母亲PM2.5暴露的胎儿肺部病理过程中扮演重要角色。上皮细胞结构是多细胞动物胚胎结构的一个显著特征，EMT的参与可使上皮细胞移行到胚胎内部，重新产生一个新的细胞群体，具备更强的塑形能力和活跃的移动能力，可以自由改变形态并移动到其他位置，对胚胎的发育尤为重要，同时也和损伤修复及纤维化疾病的发生密切相关，可见EMT与机体生理、病理有着共同的分子学基础，其与ROS、TGF-β/Smad3信号通路的激活相关，故PM2.5可通过影响胚胎期EMT而对出生后肺相关疾病产生潜在影响。de Barros Mendes Lopes等[39]研究认为，首先PM2.5导致肺弹性较高，肺泡数较少，从而导致呼吸功能异常，其次PM2.5对子宫内生物分子的影响如DNA损伤及其调控、炎症和细胞增殖调控相关的变化，最终导致成年小鼠肺泡数量减少，肺功能受损。

2.7 PM2.5与子代高血压疾病 孕期PM2.5暴露会导致子代高血压，但具体机制尚不清楚。有研究报道肾多巴胺D1受体(D1R)受G蛋白偶联受体激酶(GRK4)调控，在肾钠转运和血压调节中发挥重要作用，而在子宫中暴露PM2.5会增加ROS和GRK4的表达，损害D1R介导的钠排泄，并增加后代的高血压发生风险。因此，D1R功能的正常化可能是妊娠期PM2.5暴露母亲子女高血压防治的目标之一[40]。

2.8 PM2.5与子代糖尿病 孕期PM2.5暴露与子代罹患糖尿病的风险有相关研究。美国一项研究提示PM2.5影响子代对胰岛素的敏感性，并且显著降低了葡萄糖诱导的胰岛素分泌(GIIS)。这种胰岛素分泌的不足被精氨酸诱导的胰岛素分泌的显著减少所证实，且胰岛素分泌的减少是伴随着胰岛β细胞的减少，从而导致血糖调节受到影响[41]。此外，Madhloum等[42]研究提示母孕期暴露于PM2.5与出生时脐带血胰岛素水平升高有关，会导致脐带血胰岛素水平在生命早期发生变化，进而增加子代胰岛素抵抗的风险，并可能是导致日后罹患代谢疾病(如葡萄糖耐受不良或2型糖尿病)的危险因素。关于孕期暴露PM2.5对子代糖尿病的影响需要进一步研究。

2.9 PM2.5与子代肥胖 肥胖已经成为一种难以控制的全球流行病。目前许多研究表明，包括肥胖在内的疾病可能源于胎儿或新生儿发育早期生活环境的改变。越来越多的证据表明，孕期暴露在PM2.5环境中与胎儿发育异常有关。孕期暴露于高浓度PM2.5环境下的雄性后代脂肪细胞的瘦素启动子甲基化显著增加，而雌性后代无显著差异。母亲暴露在PM2.5环境中，可能通过改变瘦素基因启动子区域的甲基化，导致男性后代肥胖[43]。

2.10 PM2.5与子代神经系统疾病 妊娠期暴露于污染空气可对胎儿及儿童的神经系统发育造成潜在危害[44]，PM2.5具有潜在的神经毒性，其超微颗粒可以吸入肺，穿过气血屏障进入循环系统，穿过胎盘屏障和血脑屏障，从而引起神经炎。研究发现，PM2.5可以通过直接和间接途径引起胎儿的神经炎症。直接途径为PM2.5进入孕鼠体循环后，直接穿过胎盘屏障，损伤胎儿的血脑屏障，导致子鼠的神经炎症[45]，间接途径为PM2.5直接诱导母体的炎症反应释放炎症因子IL-1β和TNF-α，炎症因子通过胎盘屏障，进而穿过胎儿的血脑屏障引起神经炎症[46]。生命早期是中枢神经系统形成的关键时期, 孕期母体暴露于PM2.5危害子代神经系统的正常发育，有研究报道PM2.5暴露增加了海马区miR-3560和let-7b-5p的含量，并分别调节基因Oxct1和Lin28b表达，控制酮生成和糖基化，以及神经细胞分化，而miR-99b-5p、miR-92b-5p、miR-99a-5p表达下降，导致Kbtbd8和Adam11表达减少，从而降低细胞有丝分裂、迁移和分化，抑制胎儿出生后的学习能力和运动协调能力[47]，因此，PM2.5暴露增加，可能与记忆力和注意力区域功能较差有关[48]。Yu等[49]研究发现随着子宫PM2.5暴露量的增加，胎盘表达神经发育轨迹相关的基因BDNF和SYN1水平降低，同样提示PM2.5暴露与子代神经系统发育有关。此外，孕期PM2.5暴露使子鼠大脑皮层炎症因子(TNF-α、IFN-γ、NF-κB p65等)升高[45,50]，而HMGB1/NF-κB通路可能起关键作用[50]。因此，孕期PM2.5暴露影响子代脑发育是多机制调节的复杂过程，了解其对子代脑发育的影响对提高空气污染预防意识及尽早建立孕妇和胎儿特异监测指标有重要意义。

2.11 PM2.5与子代生殖功能 PM2.5暴露可导致男性生殖毒性，导致相关不良妊娠结局[23]。近期有研究发现母体接触空气染物可能通过miRNA和mRNA的异常表达而破坏胚胎睾丸内免疫功能，从而导致f2雄性小鼠精子发生损伤[51]。此外，研究报道PM2.5通过上调PI3K/Akt信号通路，导致睾丸组织和支持细胞发生氧化应激损伤，使支持细胞凋亡增加，血睾屏障完整性被破坏，精子发生的微环境受损，影响精子生成质量，最终造成雄性不育[52]。相关研究还发现随着暴露PM2.5浓度的增加，子宫组织中TNF-α、IL-1β和IL-6 含量不断升高，Nrf-2信号通路被激活，推测PM2.5对胚胎生殖系统的损伤与其诱发的子宫炎症反应有关[53]。

2.12 PM2.5与子代寿命 端粒长度是生物老化的标志，它可能提供细胞对氧化应激和炎症暴露的记忆。出生时端粒的长度与预期寿命有关。新生儿脐带血和胎盘端粒长度与妊娠中期PM2.5暴露呈显著负相关，母亲暴露在更高水平的PM2.5下，生下的新生儿端粒长度更短。出生前空气污染暴露对新生儿端粒丢失的观察结果表明出生前空气污染的暴露会影响未来个体的寿命。因此空气质量的改善可以促进子代寿命的延长。产前空气污染暴露与出生时端粒长度之间的关系，为环境对子代寿命的影响提供新的见解[54]。

3 结论与展望

综上所述，孕期PM2.5对子代的影响有近期及远期影响，如胚胎时期胚胎染色体异常、先天性结构畸形、胎儿炎症、早产、低体重儿、远期并发症如呼吸系统疾病、神经系统发育异常、高血压、糖尿病、生殖功能异常、肥胖和对子代寿命的影响等。氧化应激、DNA甲基化、线粒体DNA含量改变、内分泌紊乱等都可能是PM2.5对子代影响作用的机制[23]。由于胚胎发育时期缺乏抗氧化机制，胎儿在胚胎发育阶段更容易受到空气污染的影响从而导致氧化应激，在这一脆弱时期(胚胎阶段)的任何损伤都会对子代的健康产生不良影响，但其具体作用机制大多尚未被阐述明确。研究孕期PM2.5对子代影响的作用机制，对产前环境暴露进行干预，有利于降低出生缺陷，提高人口素质，增加全民福祉。