PM2.5参与哮喘发生发展的机制研究进展

王也，田曼

(南京医科大学附属儿童医院呼吸科，南京 210008)

哮喘是由多种细胞及细胞因子共同参与的异质性疾病，以可逆性气流受限、慢性气道炎症、黏液分泌及气道重构为主要特征，是常见的呼吸道慢性疾病之一。目前，全球约有3.34亿人患有哮喘，每年约有25万人死于哮喘，且患病率逐年上升[1]。哮喘可导致患者生活质量下降、残疾甚至死亡，给社会发展带来沉重的负担。哮喘的分布具有地区差异性，发达国家的患病率高于发展中国家，其中环境因素是导致哮喘的危险因素之一，随着我国工业化水平的提高、城市化进程不断加快、空气污染日益严重，我国的哮喘患病率逐年升高，自1990年起，14岁以下儿童每10年哮喘累积患病率上升约1%[2]。研究发现，哮喘患病率的增加与空气颗粒物的浓度呈正相关，且持续吸入空气颗粒物可能加快哮喘的进展[3]。空气颗粒物特别是空气动力学直径≤2.5 μm的细颗粒物(particulate matter，PM)2.5是空气污染中具有生物效应的成分，对机体各系统均有损害，可通过机械性破坏、免疫炎症等方式参与多种呼吸道疾病的发生发展。儿童的气道发育是逐渐成熟的过程，这一阶段是对PM2.5敏感性增加的窗口期，长时间暴露于PM2.5会使儿童更易罹患哮喘等呼吸道疾病，但目前PM2.5参与哮喘发生发展的机制尚不完全明确，因此积极探讨PM2.5与哮喘之间的关系具有重要临床意义。现就PM2.5参与哮喘的发生发展机制予以综述。

1 哮喘和PM2.5

哮喘是复杂的基因-环境相互作用的结果，环境因素在哮喘发病机制中的作用日益凸显，包括变应原、病原微生物、空气污染物等，其中PM2.5作为空气污染的重要污染源，与哮喘的发生发展密切相关。PM2.5直径小、相对表面积大、活性强等特点使其在空中悬浮时间长、易吸附有毒物质且易被人体吸入气道深部，从而危害呼吸系统、心血管系统等。PM2.5可沉积于整个呼吸道，特别是小气道和肺泡，导致气道和肺泡炎症，可能是参与哮喘发生发展的重要基础[4]。PM2.5的来源及构成十分复杂，人为源产生的PM2.5含有大量化石燃料燃烧后产生的有毒物质，其中过渡金属、多环芳烃和自由基是PM2.5的特殊成分，这些成分可能引起氧化应激，进一步引发哮喘症状。此外，PM2.5中可能含有花粉、尘螨等各种变应原，导致哮喘加重及新发哮喘的形成。PM2.5还可与空气中的二氧化硫、硫氧化物、一氧化碳等气体混合产生气溶胶，长期漂浮于空气中，当大气环境中的PM2.5超过大气循环和承载能力时，颗粒物可持续集聚产生大范围雾霾，增加人群暴露于PM2.5的机会，增加罹患哮喘等呼吸道疾病的风险。

流行病学研究发现，PM2.5浓度与哮喘就诊人数呈正相关。一项研究证实，短期PM2.5浓度的增加与成人哮喘就诊率显著相关，该研究采用广义相加泼松模型对在北京各大医院就诊的9万余人次哮喘患者进行研究，发现PM2.5浓度每增加10 μg/m3，当天哮喘的总就诊人次即增加0.67%[5]。而重庆一项针对0～18岁儿童和青少年的研究发现，PM2.5暴露与儿童和青少年哮喘发作的门诊就诊人次呈正相关，PM2.5浓度每增加10 μg/m3，儿童哮喘发作的门诊就诊人次即增加约1.6%，进一步分层分析发现，PM2.5对2～5岁学龄前儿童的影响更大[6]。这些研究均提示高浓度PM2.5暴露可能是新发哮喘及哮喘急性发作的重要因素。

PM2.5可使原有哮喘恶化。Li等[7]通过对哮喘儿童长达6个月的随访发现，高浓度PM2.5与哮喘控制不良显著相关，PM2.5浓度每增加一个四分位距，哮喘控制分数即增加0.32分，同时，PM2.5暴露可使哮喘患儿的肺功能下降，加重原有的哮喘症状[8]。近年来，有学者提出PM2.5可能导致新发哮喘形成，Gehring等[9]通过出生队列研究发现，早期暴露在空气污染中可能会导致整个儿童和青少年期哮喘的发生。欧洲一项研究发现，约有14%哮喘患儿的病因可归因于与道路交通相关的污染物[10]。一项对10～18岁青少年的队列研究发现，高速公路交通与儿童肺功能发育缺陷有关，而高速公路附近的PM2.5浓度远高于其他地区，说明PM2.5可能对儿童和青少年肺发育产生不良影响[11]。

2 PM2.5参与哮喘发生发展的机制

高浓度PM2.5暴露对呼吸道上皮细胞及神经感受器有直接刺激作用，并通过促进气道炎症效应及氧化应激参与哮喘的发生发展，但具体机制尚不明确。英国空气质量效应医学委员会提出，空气污染可能导致哮喘发生和恶化的潜在机制包括氧化应激和损伤、气道重构、炎症反应、增强气道对过敏原的易感性，这些机制参与哮喘形成的过程中涉及多种基因参与调控，而多种基因的变异可能导致新发哮喘形成或加重原有的疾病状态[12]。

2.1氧化应激和损伤 氧化应激是指机体受到刺激时，细胞内活性氧类(reactive oxygen species，ROS)和活性氮等氧化产物产生过多，机体的氧化和抗氧化状态失衡导致机体损伤。研究表明，内源性ROS和氧化应激参与哮喘的起源和调节，同时氧化应激是哮喘严重程度的决定因素[13]。PM2.5作为外源性氧化剂，高浓度的暴露可引起机体产生氧化应激反应。研究表明，高浓度PM2.5滴鼻可导致健康小鼠体内炎症反应和氧化应激水平增加[14]。并且PM2.5对机体的不良影响可延续至成年，使成年小鼠的哮喘易感性增加[15]。体外实验证实，PM2.5刺激后的正常气道上皮细胞和肺泡巨噬细胞ROS产生增多[16-18]。此外，PM2.5还能增加哮喘患者体内的氧化应激水平，McCreanor等[19]发现，成年哮喘患者在柴油动力车辆密集街道行走2 h后，痰中过氧化物酶水平增加，提示氧化应激水平与吸入性颗粒物相关。

PM2.5可能通过颗粒中包含的过渡金属和有机化合物破坏细胞内钙离子稳态、改变线粒体功能、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)氧化酶或激活氧化还原敏感炎症信号通路等多种机制，发挥氧化应激作用，介导哮喘的发生发展[20]。PM2.5引起的钠-钾泵和钙泵功能障碍可导致离子失衡和线粒体膜电位降低，引起线粒体肿胀、外膜破裂或碎裂，最终导致线粒体功能障碍，使ROS水平增高[21]。大量ROS通过激活促炎信号通路，如氧化还原敏感的核因子κB信号通路，增加促炎基因表达并产生炎症细胞因子，参与哮喘的形成[22]。Rui等[23]发现，PM2.5诱导产生的ROS可作为信号分子激活胞外信号调节激酶/蛋白激酶B/核因子κB通路，增加细胞间黏附分子-1和血管细胞黏附分子-1的表达，进一步促进单核细胞黏附内皮细胞。严重的炎症状态还可进一步增强氧化应激反应，粒细胞中的NADPH氧化酶可释放高水平的超氧化物，加重哮喘。气道内过多的ROS还可导致气道上皮和毛细血管内皮屏障功能受损，使ROS进入体循环，导致全身系统的氧化应激和炎症反应[24]。有证据表明，系统性炎症在哮喘的发病机制中起重要作用[25]。此外，随着体内抗氧化物质[如超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、过氧化氢酶]的不断消耗和失活，机体抗氧化防御能力降低，进一步加剧氧化还原障碍和气道损伤，最终导致哮喘患者肺部和全身炎症[26]。SOD1在清除细胞ROS中发挥关键作用，是最早参与ROS清除过程的抗氧化酶。一项动物实验发现，PM2.5可通过转录微RNA(microRNA，miRNA/miR)-206抑制SOD1的表达，使ROS水平升高，加重哮喘小鼠的肺部炎症和哮喘症状[27]。

2.2气道重构 长期暴露于高浓度的PM2.5可能引起气道上皮细胞脆性脱落、上皮细胞顶端极性丧失、杯状细胞化生、细胞外基质蛋白沉积，导致以气道上皮细胞纤维化、平滑肌肥大增生、血管生成增加为主要特征的气道重构，这种病理学改变进一步造成气道狭窄和气道壁增厚，是哮喘气道高反应性的基础[28]。一项人体病理学证据证实长期暴露于高浓度PM2.5可导致严重的气道损伤，表现为气道纤维化和平滑肌增生，并可在气道黏膜活检中发现PM2.5沉积，说明PM2.5的气道沉积与气道纤维化有关[29]。Zou等[30]发现，PM2.5可通过高迁移率族蛋白1-晚期糖基化终末产物信号通路诱导人气道上皮细胞中的转化生长因子-β1、血小板源性生长因子-AB和血小板源性生长因子-BB等成纤维细胞因子的表达。He等[31]通过构建高浓度、长时间(长达7个月)PM2.5暴露大鼠模型发现，暴露组大鼠的肺组织病理切片显示气道炎症细胞浸润增加、气道平滑肌增厚、气道周围胶原沉积增多、黏膜下腺体增生肥大等气道重构改变。而Ye等[32]研究发现，低浓度PM2.5可能通过音猬因子-平滑受体-核转录因子Gli信号通路参与气道平滑肌迁移，促进气道重构改变。PM2.5可能通过氧化应激作用破坏气道脂质膜、蛋白质和DNA结构：①膜脂过氧化可能导致膜流动性的改变，影响膜间离子梯度；②蛋白质氧化修饰导致酶活性丧失、功能障碍和蛋白质交联；③DNA损伤可能导致细胞信号改变引起细胞凋亡。氧化修饰共同作用可能导致气道杯状细胞增生、气道平滑肌肥大、上皮纤维化，最终导致气道重构[24]。

气道上皮结构和功能的改变是气道重构发生的基础。气道上皮组成的物理屏障能阻隔外源性刺激物侵入，并能通过募集和激活树突状细胞、2型先天性淋巴细胞等多种细胞发挥适应性免疫调节，在环境因素介导的呼吸道防御机制中发挥重要作用[33]。研究发现，PM2.5暴露可使气道上皮细胞的紧密连接和完整性遭到破坏[34]。PM2.5也能通过转录上调c-Jun氨基端激酶，激活具有抑制纤毛形成作用的小脯氨酸富蛋白3表达，破坏纤毛上皮细胞，降低气道上皮清除病原体能力[35]。PM2.5还能通过一氧化氮合酶2信号通路诱导细胞自噬，参与介导上皮细胞凋亡[36]。有研究发现，PM2.5通过激活磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信号通路下调miR-331表达，促进ROS生成，导致人气道上皮细胞IκB激酶β表达式和持续核因子κB激活，介导人气道上皮细胞氧化应激和炎症损伤[37]。

2.3免疫炎症反应异常 哮喘是以慢性气道炎症为特征的复杂疾病，涉及众多细胞和细胞内信号通路，PM2.5中特殊的氧自由基和多环芳烃成分可诱发辅助性T细胞(helper T cell，Th细胞)2和Th17介导的过敏性炎症。短期的PM2.5暴露可致健康受试者鼻部呼气中一氧化氮增加及分泌物中嗜酸粒细胞活化因子、白细胞介素(interleukin，IL)-5、IL-8、趋化因子17等增多，提示PM2.5主要通过Th2细胞因子介导的免疫反应引起受试者鼻部炎症和过敏反应，而以Th2细胞介导为主的免疫炎症和过敏反应是哮喘发生的基础[38]。一项动物实验进一步证实健康小鼠暴露于高浓度PM2.5后，体内IL-4、IL-17A水平增高，γ干扰素水平降低，且小鼠的炎症基因(Cxcl11和Tnfs4)、过敏和哮喘基因(Clca3和Prg2)的表达明显增加[39]，Clca3基因可通过调控钙-氯离子通道，导致黏液细胞增生和过度分泌。不仅如此，PM2.5还可通过Toll样受体2/Toll样受体4/髓样分化因子88信号通路参与Th2细胞相关的免疫应答，加重小鼠肺部的过敏性炎症[40]。

PM2.5不仅可通过激活Th2介导的炎症反应参与哮喘的形成，也可通过氧化应激途径发挥免疫炎症效应。通过构建经典哮喘细胞模型(Der p1抗原诱导人支气管上皮细胞)发现，PM2.5可通过氧化应激效应增强人支气管上皮细胞的先天免疫应答[41]。有体外实验研究发现，PM2.5能显著上调人肺上皮细胞的细胞色素P(cytochrome P，CYP)450中CYP1A1/1B1的表达，而CYP在促进氧化应激和促炎反应过程中发挥重要作用[42]。Yuan等[43]进一步沉默人肺上皮细胞中的CYP1A1/1B1发现，经PM2.5刺激上皮细胞的ROS生成、IL-6/IL-8分泌和信号转导及转录激活因子3/磷酸化信号转导及转录激活因子3表达等均受到显著抑制，提示CYP1A1/1B1通路可能参与介导PM2.5引起的免疫炎症反应。He等[44]发现，PM2.5中含有的金属物质和多环芳烃产生的ROS可能导致肺部炎症，使卵清蛋白诱导的哮喘小鼠肺嗜酸粒细胞浸润增加。

2.4增加气道对变应原的易感性 哮喘患者对变应原的易感性是过敏性哮喘发病的主要因素，而气道易感性的改变可能与变应原接触机会增加、致敏性增强以及体内免疫防御状态改变有关。研究发现，PM2.5作为载体将变应原(如花粉)运送至肺部深处，沉积到肺支气管和肺泡组织等血流丰富的部位，同时PM2.5作为佐剂发挥贮藏作用，防止变应原分散，使气道与变应原的接触增多，增强哮喘易感性[45]。同时，PM2.5还可通过化学修饰增加变应原致敏性，通过激活抗原呈递细胞或刺激Th2细胞参与哮喘发作[46]。也有研究认为，PM2.5可导致气道重构，破坏气道上皮物理屏障，进一步增加与变应原接触机会，削弱气道防御功能，从而导致哮喘发作[47]。而气道内菌群的定植与气道防御状态相关，PM2.5在气道引发的氧化应激与炎症反应可能导致气道健康菌群紊乱，从而破坏气道的防御功能，增加哮喘形成风险[48]。一项动物实验研究证实，PM2.5的暴露会加剧卵清蛋白诱导的哮喘小鼠肺组织气道炎症，使小鼠体内嗜酸粒细胞水平增加[49]。Brandt等[50]研究证明，柴油颗粒暴露会促进小鼠肺中变应原特异性记忆T细胞数量增加和持久性，导致肺中特异性变应原Th2/Th17细胞积累，增强变应原二次免疫反应，促进哮喘的发展。

3 小 结

哮喘与PM2.5的暴露密切相关，高浓度、长时间暴露于PM2.5会诱发哮喘的形成并加重哮喘严重程度。PM2.5可通过氧化应激、气道重构、免疫炎症反应及增强气道易感性等途径参与哮喘形成与发展，但具体分子机制尚不完全明确，且相关的分子靶向药物尚处于基础实验阶段。目前我国的空气颗粒物污染问题日益严峻，严重危害国民健康，空气环境治理工作对哮喘的防治起重要作用。因此，积极阐明PM2.5参与哮喘发生发展的分子机制对防治PM2.5相关性哮喘具有重要临床意义。