空气污染与心律失常事件之间的相关性及作用机制

赵铭哲 李毅刚

1952年伦敦雾霾事件,使得人们开始意识到空气污染对人类健康的重要影响.对此的研究表明,在1952年12月至1953年2月期间,空气污染导致人群发病率和全因死亡率急剧增加[1].长期以来,专家学者们进行了许多关于空气污染对心血管系统的影响方面的研究,发现空气污染对心血管健康的影响体现在心律失常、冠状动脉疾病、心力衰竭、心源性猝死各个方面[2G3].我国一项覆盖了26个大城市的大型流行病学研究发现,空气污染程度与心律失常风险的增加密切相关[4].长期以来,亦有许多研究试图探究空气污染对心律失常造成影响的机制.笔者旨在回顾研究空气污染与心律失常之间相关性的文献,并对已经发现的空气污染影响心律失常的机制进行概括.

1 空气中的污染物

空气中的污染物按照物理形态可以分为气体和颗粒物.已经证明可以对心血管系统产生危害的气体主要包括一氧化碳(carbonic oxide,CO)、二氧化氮(nitrogen dioxide,NO2)、二氧化硫(sulfur dioxide,SO2)和臭氧(ozone,O3).颗粒物(particulate matter,PM)主要是汽车发动机、工厂和发电厂燃烧过程的产物,通常由金属氧化物、酸凝析物、过渡金属、硫酸盐、硝酸盐以及有机化合物组成[5].而按照空气中污染物的体积大小,又有可吸入颗粒物、细颗粒物、超细颗粒物的定义.可吸入颗粒物是指空气中气体动力学当量直径小于10μm(PM10)的颗粒,细颗粒物是指空气中气体动力学当量直径小于2．5μm(PM2．5)的颗粒,而超细颗粒物(ultrafine particles,UFPs)是指空气中气体动力学当量直径小于0．1μm的超微小颗粒.由于颗粒物体积越小,就越容易进入人体内深层次的位置,其对人体健康的影响就越大.所以,从流行病学角度,空气污染物中,可吸入颗粒物(PM10),包括细颗粒物(PM2．5)和超细颗粒物(UFPs)与发病率和死亡率之间的关系最为密切.

2 空气污染与心律失常事件的流行病学研究

目前,已经有许多流行病学研究探索了环境污染与心律失常事件之间的关系.早期的流行病学研究指标通常选用监测既往植入埋藏式心脏转复除颤器(implantable cardioG verterGdefibrillator,ICD)患者ICD装置的放电频率.美国波士顿一项3年随访研究发现植入ICD患者室性心动过速(ventricular tachycardia,VT)发生频率随着当日和数日前空气污染程度增加而增加[6].而美国圣路易斯另一项研究则提示植入ICD患者发生心律失常的风险与空气污染物浓度提高有关,但一般需要1~2天的诱导时间,而且致死性室性心律失常事件反复发作的患者对于空气污染更加敏感[7].监测患者因心律失常事件的入院率和死亡率是分析环境污染与心律失常之间关系的另一种重要手段.中国台湾的一项研究发现,当日平均气温低于25℃时,因心律失常至医院就诊的患者数量会随着PM2．5浓度升高而明显增加[8].西班牙巴塞罗那的一项研究则发现,室性心律失常的发病率及死亡率与PM10和PM2．5浓度均具有相关性[9].另外,亦有研究者通过监测患者体表心电图(electrocardiograph,ECG)来分析环境污染和心律失常之间的关系.美国俄亥俄州一项研究通过连续30 min体表心电图监测,发现老年人群中室上性异位搏动风险随着空气中硫酸盐和臭氧浓度增加而升高[10].但是值得一提的是,虽然心电图数据被广泛用于证明空气污染对心血管系统的影响,但很少有流行病学研究将心电图诊断的心律失常作为感兴趣的具体结果.

关于环境污染对不同类型的心律失常的影响,也有许多研究.有研究提示,短期内接触高浓度的PM10和PM2．5会增加心房颤动(简称房颤)发作的风险[11－12].同时,避免接触空气污染还是改善房颤患者射频消融术预后的重要影响因素[13].另有研究提示,阵发性室上性心动过速(suG praventricular tachycardia,SVT)和VT的发生与空气中PM10及NO2浓度均存在正相关性[14].还有研究发现,对于室性早搏频发的患者,PM2．5浓度升高会显著增加这些患者日间室性早搏的数量[15].这些研究结果说明空气污染可以引起包括室上性和室性在内的多种类型的心律失常.

3 空气污染与心律失常事件的动物和人群模型研究

值得一提的是,也有研究发现心律失常事件的发生率与空气污染之间未体现出明显相关性[16],这可能与观察人群的人种、年龄段、健康状况,研究区域的气候,研究所选用的观测指标和暴露方案之间的差异有关.因此,有许多研究者通过建立动物模型来探究空气污染与心律失常之间的关系.

常用的空气污染物模型包括浓缩环境颗粒物(concenG trated ambient particles,CAPs)、渣油飞灰(residual oil fly ash,ROFA)和柴油废气颗粒(diesel exhaust particles,DEPS)等.CAPs是将来源于不同环境的空气样本进行浓缩处理后的产物.Gordon等[17]发现,暴露于CAPs的大鼠和仓鼠,心电图上心房传导时间增加,同时QT间期缩短.ROFA主要来源于发电厂煤炭燃烧反应,成分中含有较多的过渡金属.Wellenius等[18]发现,暴露于ROFA中的心肌梗死模型大鼠,室性早搏发生率增加,同时心率变异性降低,而同研究中暴露于正常室内空气和炭黑中的心肌梗死模型大鼠没有发生上述变化.DEPS主要来源于汽车排放的尾气,成分中含有较多的空气动力学直径小于1 mm的碳颗粒.Hazari等[19]发现将自发性高血压大鼠暴露于DEPS中24h,然后用多巴酚丁胺模拟运动诱导心率增加,结果发现自发性高血压大鼠心脏储备功能明显下降.以上结果均提示空气污染在诱发心律失常过程中具有重要作用.

亦有部分研究通过建立人类模型来分析空气污染和心律失常之间的关系,但结果多为阴性[20].这可能与所建立的模型都是健康志愿者有关,然而,在人体身上诱发心律失常事件面临着伦理学问题,这也是进一步探究空气污染与心律失常之间关系的一个问题.

4 空气污染引起心律失常事件的作用机制

到目前为止,对于空气污染物影响心律失常的病理生理学机制尚不明确.一方面是由于空气污染物成分复杂,难以分离出单一成分进行分析;另一方面是由于空气污染物进入生物体内后的毒理作用尚缺乏足够研究阐明.根据目前已有的研究显示,空气污染可能通过三种途径对机体造成影响,这些途径可加重心血管疾病并诱发心律失常.这三种途径分别是:直接进入循环系统、介导肺和全身的炎症反应、影响自主神经系统.

早期的研究已经发现,PM2．5和UFPs可以进入人体肺循环和体循环[21].这一结果提示,PM可以透过肺泡上皮细胞,进入循环系统,进而诱导急性心血管反应,导致心血管疾病的发生.有研究发现,柴油废气可以产生过量的活性氧和氧自由基,诱导氧化应激反应,而这些活性氧和氧自由基又会引起血管内皮细胞损伤,进而引起心血管系统疾病[22].同时,PM诱导的氧化应激反应和Ca2＋浓度升高导致了线粒体渗透性转换孔开放,引起线粒体渗透转变,加速细胞凋亡[23].

有研究发现高浓度的PM2．5暴露可触发由PM介导的肺部炎症反应,并且通过影响肾素G血管紧张素系统、内皮素系统和凝血机制,干扰肺组织和全身的血管稳态[24].另有研究发现,暴露于高浓度的PM,会使炎症、凝血功能和氧化应激反应的血清学标志物水平增加,对心血管系统产生负面影响[25].肺和全身的炎症反应在很大程度上取决于空气污染物的体积大小、表面积、成分和暴露时间,以及不同个体对于心血管不良事件的敏感性.

自主神经系统在心率(heart rate,HR)和心率变异性(heart rate variability,HRV)的控制中发挥着关键作用.已有研究发现,自主神经系统参与了PM诱导心脏疾病的病理生理过程[26].PM可以影响HRV、静息HR和血压,这表明PM可以激活交感神经系统.暴露于PM可以导致交感神经冲动激活,HRV迅速下降,从而增加了心律失常的发生率和心血管系统疾病的发病率和死亡率[27].另外,近期有研究发现,空气污染物中的丙烯醛成分可以通过肺部神经末梢上的瞬时受体电位离子通道影响交感及副交感神经系统,并已有动物实验证明丙烯醛可以诱导健康小鼠心律失常事件增加[28－29].

5 总结

一般认为,空气污染会对心血管系统产生不利影响,暴露于PM会加重各种急慢性心血管疾病的发生和进展.但是学术界在这一方面的认知差距仍然很大,而且难以得出确定的结论.关于空气污染物对心律失常的影响,在不同的研究中结果并不完全一致.不同研究人群的年龄和健康状况、不同空气污染物的组成成分以及不同研究中统计学方法之间的差异均是潜在的影响因素.这提示我们在将来的研究中,应该使用新的技术控制空气污染物的成分,并更好地量化暴露的影响以及更好地探究空气污染物的毒理作用.

通过适当的干预措施控制空气污染,可以减少心血管疾病的发病率和死亡率,为公共卫生和公共健康带来巨大收益.在过去的几十年中,我国已经实施了许多重要的干预措施,大大改善了公共场所的空气污染情况,包括在公共场所实行禁烟和开发新能源汽车等等.然而,除这些干预措施外,更好地了解空气污染对心血管系统造成损害的机制也很重要,因为这将帮助我们发现更有针对性的医学治疗手段.