PM2.5致呼吸系统损伤的机制及药物防治进展

林红卫 金发光

近年来，随着工业化和城市化进程的加快，大气污染问题日益凸显，其对人类健康的危害已成为广泛共识。PM2.5作为大气污染物中重要的组成部分，直接与呼吸系统接触，可深入包括肺泡在内的各级支气管树，损害呼吸系统功能，引发或加重呼吸系统疾病[1-2]。了解PM2.5对呼吸系统损伤的机制及药物防治，对医学工作者更好地预防和诊疗与PM2.5有关的呼吸系统疾病具有重要意义。

一、PM2.5简介

1.PM2.5的定义及来源：大气颗粒物(particulate matter, PM)是指空气中分散的固体、液体悬浮物或固液颗粒混合物，PM2.5是指空气动力学当量直径≤2.5 μm的大气悬浮颗粒物，又称细颗粒物，其中直径≤0.1 μm的颗粒物又称为超细颗粒物。一般来说，细颗粒物的积累主要有人为与自然两种来源。其中人为来源主要与城市化及工业化的快速发展、煤炭消费的增长、交通运输和燃料燃烧有关，为PM2.5的主要来源。自然事件如森林火灾、地壳活动、沙尘暴等也会产生PM2.5[3]。

2.我国PM2.5的组成成分：PM2.5是大气中极小颗粒和液滴组成的复杂混合物，其组成成分可以是污染源排出的一次粒子，也可以是气态污染物经冷凝或在大气中发生复杂化学反应所形成的二次粒子[4-5]。受到地域、季节等因素的影响，PM2.5的组成成分也有一定的差异。我国PM2.5的组成成分主要包括含碳组分、无机组分、有机物和生物气溶胶等。

(1)含碳组分：PM2.5中含碳组分主要包括有机碳、元素碳和碳酸盐碳。其中有机碳包括污染源直接排放的一次有机碳和碳氢化合物经过光化学反应等途径生成的二次有机碳。元素碳为单物质碳，其化学性质稳定，由化石燃料或生物不完全燃烧产生。碳酸盐碳在PM2.5中含量极低，分析时一般不予考虑。

(2)无机组分：PM2.5中无机组分包括水溶性无机离子和无机元素。水溶性无机离子主要

包括SO42-、NO3-、NH4+、Cl-、Mg2+、Na+、K+等。其中，SO42-、NO3-、NH4+占无机离子总浓度的80%，主要由化石燃料高温燃烧产生的烟气经二次转化产生。这3种离子在大气中生成粒子后，受高温、强光照等因素影响又容易形成二次污染，对大气环境危害较大。Cl-、Mg2+、Na+、K+等离子主要来源于海洋盐离子和土壤[6]。研究表明，我国PM2.5无机元素中重金属含量较多，为其核心构成组分，主要包括铝、钠、镁、钾、钙、钛、锰、铁、铜、锌、铅等，且多数来源于煤炭燃烧和汽车尾气的排放[7]。

(3)有机物：PM2.5中有机成分包括多环芳烃、脂肪烃、多环芳烃酮等不可溶性有机物和脂肪族醛、羟胺等水溶性有机物[8]。其中多环芳烃化合物是PM2.5的重要组成组分，作为一类不易降解且惰性很强的碳氢化合物,多环芳烃化合物能稳定而持久地存在于环境中，直接或间接影响大气质量、气候变化和人体健康。

(4)生物气溶胶：生物气溶胶是PM2.5中的生物源性颗粒，包括细菌、真菌、病毒、花粉和植物纤维等，不仅对人类和动植物均具有多种潜在致病能力，同时对气候的变化也存在潜在的影响[9]。

二、PM2.5致呼吸系统损伤的流行病学证据

世界卫生组织在2005年《空气质量准则》中发布的PM2.5准则值中，PM2.5年均值和日均值上限分别是10 μg/m3和25 μg/m3。根据中国大城市空气质量监测站采集的数据，2016年中国388个城市PM2.5年平均浓度为12～158 μg/m3，平均值为47 μg/m3，重度污染天数中以PM2.5为主的天数占80.3%以上[10]。流行病学调查显示，超量的PM2.5暴露对呼吸系统损伤严重，且与肺部疾病发病率增加之间存在显著的相关性[11]。长期暴露于颗粒物可导致肺功能下降，加重哮喘、慢性阻塞性肺疾病等慢性呼吸系统疾病，增加肺癌的发病率和病死率[12-15]。欧洲的调查显示，当日PM2.5浓度增加10 μg/m3时，呼吸系统疾病患病率增加2.07%，住院率相应增加8%[16]。来自中国的一项Mate回归分析指出，PM2.5浓度每增加10 μg/m3，呼吸疾病日病死率增加0.69%[17]。此外，美国癌症协会的一项队列研究对120万美国成年人进行了长达26年(1982-2008)的跟踪，发现PM2.5空气浓度每增加10 μg/m3，肺癌病死率增加15%～27%[18]。

三、PM2.5致呼吸系统损伤的机制

PM2.5具有颗粒直径小、表面积大和毒素吸收能力强等特点，这些特性使它们能够绕过人类固有的防御机制，深入支气管，侵入并沉积在肺泡中，造成呼吸系统的物理和化学损伤[19-20]。了解PM2.5是如何导致呼吸系统损伤的，将有助于预防和诊断相应的健康问题，并为治疗PM2.5诱发的疾病提供更有效的思路和方法。目前，PM2.5造成呼吸系统损伤的机制主要包括氧化应激、炎症反应、免疫异常、细胞内钙离子失调、微生态失衡及能量代谢紊乱等。

1.氧化应激：早期研究表明，PM2.5中的金属和有机成分可诱导自由基生成并氧化肺细胞，这可能是呼吸系统损伤的主要原因[21]。动物层面上，基于PM2.5暴露系统模拟“现实世界”的PM2.5暴露后，大鼠支气管肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid, BALF)中丙二醛(malondialdehyde, MDA)、过氧化氢(H2O2)、一氧化氮(NO)的浓度均不同程度增加[22]。在PM2.5气管滴注实验中，高剂量PM2.5暴露组小鼠血清、BALF及肺组织匀浆中超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、谷胱甘肽(glutathione, GSH)及谷胱甘肽过氧化物酶(glutathione peroxidase, GSH-Px)水平均低于对照组，而MDA水平高于对照组[23]。细胞层面上，Haberzettl等[24]报道了吸入细颗粒物可通过肺氧化应激损害内皮祖细胞功能。徐贞贞等[25]研究发现PM2.5暴露能诱导人支气管上皮样细胞(16HBE)内活性氧(reactive oxygen species, ROS)升高，造成氧化损伤，并可能通过氧化应激调节支气管上皮细胞JAK/STAT信号通路和相关细胞因子如白介素-6(interleukin 6, IL-6)的产生。此外，有研究报道，PM2.5产生的ROS通过与金属反应产生羟基自由基，羟基自由基是引起细胞DNA氧化损伤的主要因素，当受损DNA不能及时有效修复时，可诱发畸形和癌变等不可逆损伤[26]。

2.炎症反应：大量研究证实，PM2.5致呼吸系统损伤与炎症反应密切相关。首先，PM2.5暴露会引起呼吸系统炎性细胞浸润。Li等[27]在大鼠实验中证实，PM2.5暴露可引起肺组织炎性细胞浸润和充血，增加BALF中炎性细胞数量。Cui等[28]则报道了血管细胞黏附分子-1(vascular cell adhesion molecule-1, VCAM-1)介导的中性粒细胞浸润加重了环境微粒诱导的肺损伤。其次，PM2.5暴露能显著提高炎症因子水平。Yang等[29]的研究证实地下车库PM2.5污染物可导致小鼠肺损伤，PM2.5污染组小鼠血清和肺组织中IL-4、肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α, TNF-α)和转化生长因子-β1(transforming growth factor-β1, TGF-β1)水平显著升高。Li等[27]的研究也证实了PM2.5能显著升高大鼠肺组织中TNF-α、IL-6、IL-1β等促炎介质水平。此外，NLRP3炎症小体在PM2.5诱导的呼吸系统炎症损伤中发挥重要作用[30-31]。PM2.5可诱导支气管上皮细胞(16HBE)发生自噬,过度的细胞自噬可参与活化NLRP3炎症小体，促进IL-1β和IL-18的分泌，导致机体炎症反应[32]。

3.免疫异常：PM2.5导致呼吸系统免疫反应异常，可能与多种免疫细胞数量及功能异常相关。巨噬细胞有M1和M2两种类型，二者在先天免疫和炎症平衡中起重要作用。然而，PM2.5暴露通过不同途径显著增强了炎性M1极化，抑制了抗炎性M2极化，该失衡可能会导致免疫异常和炎症的产生[33]。长期暴露于PM2.5可通过下调肺巨噬细胞组蛋白去甲基化酶，介导IL-6和β型干扰素(interferon-β, IFN-β)启动子区组蛋白修饰，降低流感病毒抗性[34]。大鼠气管内灌注PM2.5，暴露24 h后肺泡巨噬细胞对金黄色葡萄球菌的吞噬作用减弱，呼吸道NK细胞募集减少，这些结果表明除了肺泡巨噬细胞外，NK细胞在呼吸道固有免疫系统抗感染能力方面也有显著的作用[35]。此外，辅助性T细胞17(T helper cells 17, Th17)与调节性T细胞(regulatory T cells, Tregs)分化可能在PM2.5诱导的肺损伤中起重要作用[36]。

4.细胞内钙离子失衡：钙是调节细胞生理和病理功能的重要第二信使之一，异常高的钙浓度会引发一系列炎症反应，导致细胞损伤。PM2.5诱导自由基或ROS的过量产生，降低细胞的抗氧化能力，导致细胞膜脂质过氧化，细胞内Ca2+浓度升高。此外，细胞内Ca2+浓度的增加可以进一步提高自由基或ROS的产生[37]。Brown等[38]研究表明，ROS介导的细胞内Ca2+浓度调节可能是PM2.5诱导的细胞损伤机制之一。

5.微生态失衡：呼吸系统微生态是呼吸道功能的关键，呼吸系统菌群通过占据空间、营养竞争和分泌抑菌或杀菌物质，抵挡外界物质或致病性微生物，发挥生物屏障作用，维持呼吸道生理和免疫稳态。有研究通过小鼠呼吸道灌洗液的16S rRNA测序证实，PM2.5暴露后小鼠呼吸道微生态组成发生改变，细菌种类多样性下。此外研究发现，受PM2.5刺激影响，小鼠下呼吸道的细菌数量显著减少，从而使其他微生物得以扩张。

6.能量代谢紊乱：近年来，除小鼠的肺结构与功能之外，研究人员进一步研究了PM2.5暴露后细胞线粒体形态及可调节转录的能量代谢。在超微结构观察的基础上，研究发现PM2.5吸入后Ⅱ型肺泡上皮细胞线粒体空泡化和线粒体膜破裂。更重要的是，线粒体结构的异常与能量代谢紊乱相关，表现为ATP水平的降低、丙酮酸和乳酸含量的积累以及相关基因转录的改变。此外，包括正过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptorγcoactivator-1α, PGC-1α)、核呼吸因子1(nuclear respiratory factor 1, NRF-1)和线粒体转录因子A(mitochondrial transcription factor A, TFAM)在内的线粒体标志物的减少与线粒体功能障碍有关。这些研究结果提示，能量代谢紊乱和线粒体功能障碍可能是PM2.5暴露对肺损伤的重要影响因素。

四、PM2.5致呼吸系统损伤的药物防治

大气污染作为一个困扰人类的全球性公共卫生问题，深受各界关注。然而除进行环境治理、减少污染接触、增强自身体质之外，目前尚无明确的方法减轻或预防PM2.5所致健康损伤。研究人员在PM2.5致呼吸系统损伤的药物防治领域做了大量工作，在西药、中药提取物、单味中药及复方等方面都有最新的研究成果。

1.西药：二甲双胍预处理可显著降低人支气管上皮细胞(BEAS-2B)中PM2.5诱导的细胞死亡和氧化应激，此过程与线粒体抗氧化酶的保留表达有关，且与经典的二甲双胍激活AMP依赖的蛋白激酶途径无关。克里斯霉素C能减少小鼠PM2.5暴露后BALF中血管蛋白渗漏、白细胞浸润和促炎细胞因子的释放，并显著清除肺血管内皮细胞中因PM2.5刺激产生的ROS，抑制ROS诱导的p38丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)活化，并激活蛋白激酶 B，从而帮助维持内皮细胞的完整性。高分子量透明质酸通过JNK和p38途径抑制巨噬细胞M1极化，促进抗炎细胞因子IL-10的产生，从而改善PM2.5诱导的肺部炎症。补充鱼油和维生素E能显著改善PM2.5诱导的肺氧化应激和全身炎症反应，其中鱼油有明显改善作用，维生素E有部分改善作用。通过对肺切片进行组织学和基因表达谱分析，发现益生菌双歧杆菌、抗氧化维生素E/C和抗炎DHA的特定组合，而不是单独营养素，能提高血清中细胞因子IL10的水平，对PM2.5诱导的炎症反应有协同保护作用。N-乙酰半胱氨酸可以通过上调大鼠肺组织中沉默信息调节蛋白1(silent information regulator protein 1, SIRT-1)水平来改善PM2.5诱导的氧化应激。

2.中药提取物：在体内，白藜芦醇治疗可消除PM2.5诱导的小鼠肺炎症和纤维化，抑制自噬过程和NLRP3炎性小体活化。在体外，白藜芦醇可减轻PM2.5诱导的细胞毒性，抑制细胞自噬过程和NLRP3炎性小体活性，降低BEAS-2B细胞的IL-1β生成。东方栓菌多糖通过其抗氧化和抗炎作用减轻PM2.5诱导的小鼠肺损伤，其机制部分依赖于核因子E2相关因子2(nuclear factor erythroid-2-related factor 2, Nrf2)/血红素加氧酶-1(hemeoxygenase-1, HO-1)通路的激活和对NLRP3炎症小体的抑制。化橘红总黄酮可以显著抑制PM2.5诱导肺组织中TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-18的过量产生，降低BALF中白细胞、中性粒细胞、淋巴细胞、单核细胞的数量，明显缓解PM2.5刺激引起的的MDA、NO含量升高，乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase, LDH)、诱导型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase, iNOS)、GSH-px活性升高，具有明显的抗炎、抗氧化作用。白及多糖可以有效改善PM2.5致小鼠肺部炎性细胞浸润、呼吸道的黏膜损伤及支气管周围组织的炎性浸润,有效抑制IL-6、IFN-γ、TNF-α、单核细胞趋化蛋白-1(monocyte chemotactic protein 1, MCP-1)等炎症因子表达，抑制PM2.5致急性肺损伤作用。和厚朴酚能够抵抗PM2.5诱导哮喘小鼠的肺损伤，这一方面可能是通过抑制Toll样受体4(toll like receptor 4, TLR4)/核因子κB(nuclear factor kappa B, NF-κB)信号通路介导的炎症反应,另一方面可能是通过影响T辅助细胞17/调节性T细胞平衡的方式来实现的。毛蕊异黄酮可明显减轻PM2.5暴露对小鼠Ⅱ型肺泡上皮细胞(MLE12)活性的损伤,抑制PM2.5诱导的IL-6和IL-8mRNA表达以及IL-6和IL-8蛋白的释放,并呈剂量依赖性，此效应可能与激活AMP以及抑制NF-κB的激活有关。

3.单味中药及复方：单味中药方面，利用代谢组学得知阿胶对PM2.5诱导的肺功能下降和病理改变有明显的保护作用，其通过抑制精氨酸酶1来调节PM2.5诱导的精氨酸、氮代谢以及氨酰tRNA的生物合成等代谢通路紊乱，使炎症得到改善。红景天能抑制PM2.5对肺组织所产生的炎症损伤以及氧化应激效应，红景天煎液灌胃给药后,大鼠BALF中酸性磷酸酶(acid phosphatase, ACP)、碱性磷酸酶(alkaline phosphatase, AKP)、LDH均明显下降，MDA含量降低,而SOD活性增加。

中药复方中，麻杏石甘汤通过调节高迁移率族蛋白B1(high mobility group box 1, HMGB1)/TLR4/NF-κB通路和炎症反应，保护大鼠免受PM2.5诱导的急性肺损伤，改善肺水肿及肺泡毛细血管屏障破坏，降低髓过氧化物酶(myeloperoxidase, MPO)活性、MDA含量、CD68阳性巨噬细胞数量以及炎症因子水平。邓氏清霾汤可通过有效减轻肺组织及气管周围炎性细胞浸润，降低PM2.5致肺损伤大鼠肺组织湿重/干重比值，BALF中IL-1β、IL-10含量及肺组织NF-κBp65蛋白含量，起到对PM2.5诱导肺损伤大鼠肺组织的预防保护作用，且存在着一定的剂量-效应反应关系。清燥润肺化浊行血汤干预PM2.5染毒小鼠后，BALF中ACP、AKP、LDH等生化指标明显改善，并呈剂量依赖性，光镜下显示，肺组织病理学改变随干预剂量增加逐渐减轻。

4.其他：岩藻甾醇是从马尾海藻中提取的化合物，研究证实，它可以对抗PM2.5诱导A549细胞ROS水平的升高和SOD、过氧化氢酶(catalase, CAT)、HO-1等抗氧化酶的产生，还可以降低促炎细胞因子TNF-α和IL-6的水平，其抗炎作用可能是通过NF-κB、MAPK途径实现的。胭脂树橙是从一种红木中提取的天然红色素，动物实验结果表明，胭脂树橙治疗可减少PM2.5诱导的小鼠肺组织炎症细胞的积累，降低组织凋亡水平，提高细胞增殖能力。此外，胭脂树橙还可以调节基质金属蛋白酶9(matrix metalloprotein9, MMP9)、TGFβ1及其下游纤连蛋白(fibronectin, FN)的表达，并激活Nrf2信号。BEAS-2B细胞实验中，胭脂树橙激活的Nrf2通过减轻氧化应激、增加增殖和迁移、减少凋亡等作用参与组织修复，这可能部分是通过调节MMP9、TGFβ1和FN的表达实现的。萝卜硫素主要分布在十字花科蔬菜中，是一种含硫化合物。萝卜硫素可通过激活Nrf2及抑制线粒体凋亡通路，保护小鼠MLE-12细胞免受PM2.5诱导的氧化损伤。

随着人们对大气污染关注度的增高，关于PM2.5的研究也愈加广泛和深入。目前，在PM2.5的研究过程中，仍存在几个需要关注的问题。一是我们在PM2.5采集后的提取过程中大部分仅使用单一溶剂(如超纯水)，这可能会导致PM2.5的不溶性成分丢失。二是相比于粒子质量或粒子数量，粒子表面积是一个更好的剂量单位，但到目前为止，几乎所有的研究人员都使用质量单位来描述他们的暴露剂量。最后，考虑到机体炎症反应和免疫机制的复杂性，PM2.5的体内研究将或许是必要的金标准。总之，随着我们对PM2.5致呼吸系统损伤机制及药物防治领域的深入研究，以及制定切实可行的策略，不久的将来，在与PM2.5有关的呼吸系统疾病的预防与诊疗方面，我们会取得更多突破。