PM 2.5附着成分在慢性阻塞性肺疾病发病中的作用

李佳琳 车春莉

哈尔滨医科大学附属第一医院呼吸内科150010

COPD 是由于吸入有毒颗粒或气体导致的气道和肺泡异常，引起的持续性呼吸道症状和气流受限的疾病。除吸烟外，空气污染、生物燃料等也被认为是COPD 重要的致病因素。COPD 被预测将在2030年成为全球第3位死因，是未来危害人类健康的重要疾病[1]。细颗粒物 (fine particulate matter，PM2.5)指环境空气中动力学当量直径≤2.5μm 的颗粒物，也称可吸入颗粒物。其比表面积比较大，成分复杂，除含有严重危害健康的二氧化硅外，非常容易吸附多环芳烃、重金属、病原体等，对人体健康产生较大的危害。流行病学研究表明，大气PM2.5暴露显著增加COPD 患病风险[2]，并明显增加COPD 患者的急性发作[3]。鉴于大气PM2.5暴露是COPD 发病的重要危险因素，因此研究PM2.5及其附着成分在COPD 发病中的作用机制就显得尤为重要，本文就目前国内外关于PM2.5附着成分在COPD 发生、发展作用机制的研究进展作一综述。

1 大气颗粒物中多环芳烃 (polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)在COPD发病中的作用

肺上皮屏障是抵抗PM2.5侵袭的第一道防线，它由气道上皮细胞构成，通过细胞间的紧密连接来阻止吸入的外源性物质进入组织内。紧密连接蛋白密封细胞旁路以形成封闭小带的基本结构[4]，但接受各种刺激的紧密连接蛋白易发生表达改变，从而导致封闭小带不完整，肺上皮屏障因而受损，肺泡通透性发生改变并增加了肺损伤的易感性。有研究表明PM2.5中的有机提取物可能通过破坏紧密连接蛋白造成肺黏膜屏障损伤，且研究还表明细胞膜完整性的破坏与细胞接触高剂量PM2.5有机提取物引起的细胞凋亡相关，而上皮细胞凋亡被认为是上皮屏障功能障碍的主要原因，因此认为PM2.5附着的有机成分是诱导肺上皮屏障功能障碍的主要因素[5]。在PM2.5的有机成分中，PAHs由于能够引起慢性肺炎、肺泡组织增生和支气管黏膜破坏而备受关注。

1.1 PAHs引起氧化应激在COPD 发病中的作用 现研究认为COPD 的主要发病机制是氧化与抗氧化失衡，氧化应激在其发病过程中发挥了重要作用[6]。现有研究表明PAHs通过芳烃受体 (aryl hydrocarbon receptor，AhR)解耦联诱导细胞色素P4501A1的催化循环以诱导人体的氧化应激[7]。Lin等[8]在一项研究中发现暴露于PM2.5有机提取物的细胞中血红素加氧酶1 (heme oxygenase 1，HO-1)活性较高，HO-1是一种氧化应激的诱导酶，证明了PM2.5有机提取物诱导更高的细胞内活性氧 (reactive oxygen species，ROS)水平。现研究常用来评价人体氧化应激水平 的 指 标 是 8-羟 基 脱 氧 鸟 苷 (8-hydroxy-2′-deoxyguanosine，8-OHdG)和 丙 二 醛 (malondialdehyde，MDA)，前者代表DNA 氧化损伤程度[9]，目前多项研究中的PM2.5与尿样中的8-OHd G 呈负相关，研究认为这可能并不代表污染物的暴露减少了DNA 的氧化损伤，而认为8-OHd G 可能反映的是污染物的暴露降低了机体DNA 的损伤修复能力[10-11]，而后者代表脂质过氧化水平[12]。Bae等[13]通过尿1-羟基芘评估PAHs暴露，结果显示尿1-羟基芘水平与尿MDA 水平呈正相关，Lin等[14]研究中也发现了PAHs与MDA 存在显著关联，以上研究结果更直接证实PAHs的暴露可引起机体氧化应激损伤。Yang等[5]在研究中观察到当暴露于高剂量PM2.5有机提取物时，可观测到广泛的DNA 链断裂，低剂量PM2.5有机提取物暴露有显著的DNA 损伤，这可能是当暴露于PM2.5有机提取物导致大量的ROS形成，发生氧化应激，加之DNA 损伤修复能力减弱，从而造成对DNA 氧化损伤[15]。而氧化应激造成的脂质过氧化、DNA 损伤及修复能力减弱均可促进COPD 的发生。

1.2 PAHs通过Ah R 在COPD 发病中的作用 现认为PAHs是通过AhR 依赖性机制在COPD 的发病机制中起主要作用。PAHs 与AhR 的相互作用和随后的细胞色素P4501A1的活化显著促进ROS水平，过量的ROS水平通过激活促进促炎细胞因子合成的转录因子引发炎症反应，这些细胞因子可以增强局部和全身炎症反应，并导致COPD。而目前研究认为IL-17A 是COPD 的发生、发展中重要的细胞因子。IL-17A 是由T 细胞产生的细胞因子，能够起到宿主防御细菌和真菌感染的作用，在动物模型[16-17]和人类受试者[18]的研究结果显示空气污染物可以促进肺中IL-17的表达，其认为是PM2.5中的PAHs通过Ah R 依赖性方式来增强Th17 细胞分化，从而加剧气道疾病的严重程度。而目前关于Ah R 作为环境信号传感器的作用理论研究可以概括如下[19]：当个体暴露于PM2.5时，黏膜防御机制发生改变，使宿主病理感染的风险增加。当存在PAHs高水平暴露时，Ah R 被激活，造成Th17细胞分化增强以抵抗细菌损伤和细胞色素P450酶的上调来代谢有害物质。同时机体免疫细胞分泌IL-22，其作用于局部上皮细胞并引起上皮细胞稳态变化，导致抗微生物肽的产生[20]。其本质最初为保护性防御，但持续的毒性接触导致了炎症、纤维化和终末器官的损伤，从而导致COPD 的发生、发展。

1.3 PM2.5有机提取物通过α1-抗胰蛋白酶在COPD 发病中的作用 蛋白酶与抗蛋白酶之间的失衡也是COPD 形成的重要机制。人体中存在多种可以破坏肺部结构的弹性蛋白酶，其可分解肺间质连接蛋白，从而造成COPD 的发生，而灭活弹性蛋白的主要物质则是抗胰蛋白酶1。现研究认为COPD 的发生、发展可能正是抗胰蛋白酶1的氧化造成的，在Yang等[5]的研究中观察到，当暴露于PM2.5有机提取物时COPD 中α1-抗胰蛋白酶水平在细胞中显著降低，氧化型α1-抗胰蛋白酶的水平显著增加。因此，认为PM2.5有机提取物造成了α1-抗胰蛋白酶氧化，导致其水平显著降低，并且影响其正常功能，α1-抗胰蛋白酶不能有效抑制中性粒细胞弹性蛋白酶，过量的细胞弹性蛋白酶会加速肺实质中弹性蛋白的降解，导致COPD 风险增加。

2 大气PM2.5中重金属在COPD发病中的作用

PM2.5中的无机元素主要有锌 (Zn)、锰 (Mn)、铁(Fe)、镍 (Ni)、铅 (Pb)、铬 (Cr)等重金属元素和钾、钙、硫等元素，重金属被认为是城市空气颗粒物中的有毒成分，其能够诱发细胞的氧化应激反应和炎症反应，使细胞膜通透性增加，促使细胞产生氧自由基，进而造成细胞产生氧化损伤、DNA 损伤和炎性损伤。整个重金属组分可占颗粒物质量浓度的0.3%～5.0%[21]，虽然在颗粒物中检测到相对较低的金属含量，但研究结果表明，PM2.5中重金属的影响不容忽视和低估。

Lippmann[22]研究发现PM2.5中的金属成分与人的健康有良好的相关性。Yuan等[23]用螯合树脂去除PM2.5中大部分金属离子污染物，而不会影响非金属成分的情况下，细胞存活率从 (47.7±5.2)%增加至 (60.1±5.8)%。Heo等[24]研究发现，去除金属离子后，ROS和肿瘤坏死因子α的产生有所减少，分别是对照组的36%和23%。以上研究结果均体现了重金属在大气颗粒物质中的毒性作用。

而在众多金属中Mn的毒性作用备受关注。Mn是哺乳动物生长和发育的必需元素，是线粒体氧化过程中重要的必需矿物质，但当Mn过度和长期暴露会对肺功能有严重损害。有研究表明，过渡Mn暴露可降低儿童FVC，FVC和血液Mn浓度呈负相关。现研究[25]认为，Mn的神经毒性机制如下：过度暴露Mn时，MDA 的大量产生导致呼吸道上皮细胞和肺上皮细胞中的蛋白质分子氧化，从而造成氧化损伤，造成肺功能不可逆的损害。而一项更直接的研究中观察到[26]，Mn与镉 (Cd)的累积通过降低肺部囊性纤维化跨膜转导调节因子 (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator，CFTR)表达，参与COPD 的发病。CFTR 是一种氯离子通道，主要存在于气道上皮细胞中，在调节气道表面液体水合作用中起主要作用，其活化可防止肺内黏液积聚[27]。当CFTR 低表达时，导致气道表面液体体积稳态受损，使黏液积聚，细菌清除减少，从而造成肺部慢性感染和炎症，参与COPD 的发生、发展。值得注意的是，多项研究显示Mn可加剧组合中其他金属的毒性作用。如用Mn+Fe[(34.2±6.7)%]处理的细胞比仅用Fe[(15.3±5.8)%]处理的细胞死亡率显著升高[25]；Chandra等[28]研究发现，与单独暴露于单金属元素相比，共同接触Mn和Pb可导致大鼠的脑重量更轻；Crossgrove和Zheng[29]也证明Mn毒性可能与其对Fe、Zn和Cu等必需金属元素的影响有关。目前研究认为这是因为Mn阳离子扰乱了细胞膜的双层结构并增加其渗透性，导致其他有毒金属的生物累积增加[30]。另外，Mn的毒性暴露破坏了内质网和高尔基体的动力学，其在分泌途径中影响调节蛋白质的合成[31]。因此，Mn可能通过影响重金属解毒的蛋白质 (金属硫蛋白)的合成来增加其他金属的毒性[32]。这一研究发现提示金属与金属之间的相互作用不容忽视，因大气颗粒正是由多种重金属共同构成，金属元素可以影响另一种金属元素的积累和分布，多金属共同暴露之后会发生协同作用或拮抗作用，这一作用的效应对于COPD 发病有待进一步探索。

Zn是人体必需的微量元素，在人体中存在有效的机制使其可在广泛的暴露范围内仍可维持体内平衡。因此，Zn具有相对较低的毒性，目前通过Zn中毒对人类健康造成影响的事件相对较少。目前报道最多的由Zn中毒引起的呼吸道疾病是金属烟雾热，其是因吸入氧化锌引起，主要通过在Zn冶炼或焊接等职业情况下吸入粒径＜1μm 的新鲜金属烟雾而发生[33]。通常在急性暴露几小时后患者开始出现发烧、肌肉酸痛、恶心、疲劳和呼吸系统影响，如胸痛、咳嗽和呼吸困难等。一般来说，金属烟雾热不会危及生命，呼吸效应会在1～4 d 内消失。目前尚无Zn 的暴露与COPD疾病关系的相关报道，但是基于Zn的暴露增加呼吸道症状发生方面，可为日后探索Zn的暴露与肺部疾病的发生、发展提供可探讨的证据。

Fe和Cu被认为是Fenton反应中的有效催化剂，并且形成的自由基对蛋白质、脂质和DNA 造成伤害[34-35]。Cr和Pb是典型的有毒金属，不仅与基本金属竞争转运蛋白或辅因子结合位点，而且还导致细胞内氧化应激升高[36]。Yang等的研究中选择了Zn、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、As、Se、Sr、Cd和Pb共11种重金属用于实验，其中Fe、Mn、Cu、Pb、Cr和Zn显著抑制细胞活力，其他5 种金属Ni、As、Se、Sr和Cd尽管暴露于单一金属后没有不利影响，但可能在共同暴露时具有协同效应，因而需要进一步研究由这些金属的单次或多次暴露引起的生物反应。

研究认为不同的金属可能具有不同的靶位点、靶器官或作用模式，从而导致不同的毒性特征[37]。而PM2.5中的重金属对肺上皮细胞的毒性影响可总结成以下机制：重金属通过与蛋白质的巯基结合来表达毒性；重金属替换某些功能酶中的金属离子，导致功能酶活性丧失；重金属暴露催化活性氧的形成，导致氧化应激，诱导DNA 损伤，蛋白质修饰，脂质过氧化等。

3 大气PM 2.5中病原体在COPD发病中的作用

肺泡腔对于大多数细菌来说生态环境是不利于繁殖的[38-39]。低繁殖的重要原因是肺泡内除了富含脂质的表面活性剂的细菌杀菌层外，缺乏细菌代谢的营养底物。从细菌的角度来看，健康的肺泡是不适合生长的。然而，在肺泡损伤状态，例如ARDS或肺炎等，其内环境条件突然转变，会使先前空洞的肺泡充满了富含蛋白质的液体，为微生物提供了丰富能源。再加之杀菌表面活性剂层被灭活和黏液纤毛清除功能受损[40]，微生物清除速度减慢[41]，使肺部环境为微生物生长提供了良好的内环境。目前研究证明颗粒物暴露的加重会增加肺部微生物菌群多样性，在Rylance等[42]实验亦证明高颗粒物暴露组中潜在致病菌奈瑟球菌和链球菌的丰度明显升高。尚有研究表明肺部微生物的改变可能与不同的颗粒物暴露源相关。对于微生物在COPD中的作用，多认为是吸入的颗粒物引起肺部的氧化应激、微环境或局部免疫的变化，从而可能导致肺部菌群的失衡并且直接促进COPD 的发病，而尚无研究探讨大气颗粒物附着的微生物成分与COPD 的相关性。

4 展望

基于已有文献我们发现，PM2.5附着成分中各重金属对COPD 发病的影响有待我们继续探索，尤其是多金属共同暴露之后发生的作用对COPD 的发生、发展有待进一步明确。而大气PM2.5附着成分微生物部分则留有更大的研究空白，探索PM2.5所携带病原体是否参与、哪部分菌群参与COPD 的发病与急性加重将成为日后研究的新方向。

利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突