大气细颗粒物长期暴露对慢性阻塞性肺疾病发病机制的研究进展

胡月颖 车春莉

作者单位：150081 黑龙江 哈尔滨，哈尔滨医科大学附属第一医院呼吸内科

慢性阻塞性肺疾病(COPD)又称慢阻肺，是一种以持续气流受限为特征的可以预防和治疗的疾病，其气流受限多呈进行性发展[1]。慢阻肺主要累及肺脏，但随疾病进展，逐渐出现多种并发症直至死亡，对人群健康的影响不容忽视。慢阻肺的危险因素有很多，随着空气污染、汽车尾气等的增加，大气细颗粒物对慢阻肺的发病机制逐渐引起关注，然而目前大多数研究主要集中在吸烟对慢阻肺的影响，大气细颗粒物对慢阻肺发病机制的影响仍模糊不清。

大气细颗粒物(PM2.5)的流行病学

细颗粒或PM2.5是空气动力学直径小于2.5μm的颗粒，主要来源于工农业混合因素，包括生物因素、交通、生物质燃烧和混合城市因素，但预计至2030年发电厂、工业和住宅燃煤会有所增加[2]。其成分主要包含多环芳烃 (PAHs) 、金属阳离子以及无机阴离子，其特定组分的毒性不仅取决于颗粒物的大小和浓度，还与元素含量有关[3]。

进一步研究发现大气细颗粒物中除了含有物理化学成分外，还含有细菌及其衍生物[4]。 Cao等[5]分析了北京的一项污染事件，发现PM2.5样本中含有86.1%的细菌，13.0%的真核生物，0.8%的古细菌和0.1%的病毒，还发现了引起呼吸道疾病的微生物如肺炎链球菌、烟曲霉及人类腺病毒C。胡亚东等[6]还发现了通常存在于土壤和植物中，并可存在于食物中，还可引起胃肠道疾病，也与眼睛、呼吸道和伤口感染有关的蜡样芽胞杆菌[7]。颗粒物载带病原体的种类及多样性还受气象参数、空气污染、理化转化、地理特征等多种因素影响[4]。由于PM2.5本身特征，可吸附有害物质，吸入到人体气道深处，沉积在肺组织，造成肺部局部损伤。

流行病学研究已经发现PM2.5与COPD有关。Huang等[8]采用多元Logistic回归模型对3941名不吸烟的台湾省成年人进行分析发现暴露于PM2.5浓度大于38.98μg/m3台湾省不吸烟者对COPD的易感性增加。Chen[9]等经过一个全国性时间序列分析得出PM2.5浓度在两天移动平均值中每增加10μg/m3，死亡率就会显著增加，其中COPD的死亡率增加0.38%，然而，不同地理位置之间PM2.5与慢阻肺的关系程度各不相同。而减少环境二氧化氮和细颗粒物水平可显著减轻肺受损增长的风险[10]。

大气细颗粒物(PM2.5)对慢性阻塞性肺疾病(COPD)的发病机制

目前认为PM2.5对COPD发病机制的研究主要为炎症反应、免疫失衡、氧化应激及表观遗传等。上述发病机制会引起COPD特征性的病理生理变化即持续性的气流受限致肺通气功能障碍，引起上述病理生理改变的两种重要病变为小气道病变和肺气肿病变。其中小气道病变包括小气道炎症、小气道纤维组织增生、小气道管腔粘液栓等使小气道阻力明显升高，肺气肿病变则包括小气道塌陷及肺泡弹性回缩力明显降低[1]。

一、炎症反应

Toll 样受体4(TLR4)，TLR家族成员之一，是COPD炎症过程的重要组成部分之一。核因子-κB(NF-κB)对于气道中炎性细胞因子的表达具有重要的调节作用，可增加炎症介质如IL-6、IL-8等的表达和释放，促进气道慢性炎症和COPD 的发展[14]。TLR4/NF-κB激活是炎症反应中的经典途径之一。研究发现PM2.5可激活TLR4表达和NF-κB信号通路，以触发炎症细胞因子环氧化酶-2的释放，诱导巨噬细胞活化。最终，PM2.5暴露诱导了活化巨噬细胞的炎症反应。同时，促炎细胞因子如IL-6和趋化因子被释放以诱导炎症[15]。因此长期PM2.5暴露可能会刺激肺泡上皮细胞或使巨噬细胞活化，释放炎症因子，使COPD的慢性炎症延续下去。

二、免疫失衡

Notch受体是一种单一的跨膜受体蛋白。Notch可通过细胞间相互作用，和配体结合等激活Hes1和Hey家族的下游靶基因，共同参与T细胞的激活、增殖和分化[16]。Gu等[17]研究发现COPD小鼠存在Th1和Th17介导的免疫紊乱，即Th1/Th2和Th17/Treg比值增加，使Notch信号通路处于过度激活状态，PM2.5可促进Notch信号通路的过度激活，加重慢性阻塞性肺疾病的免疫障碍。Liu等[18]研究发现Notch信号通路可能通过Hes1正向调节PM2.5诱导的Muc5AC，导致人气道上皮细胞粘液分泌过多加重。而Notch信号通路的失调与COPD的病理有关，特别是在黏膜增生和内皮细胞凋亡中[19]。

因此PM2.5可通过过度激活COPD的Notch信号通路，参与COPD小鼠的Th1和Th17介导的免疫紊乱和粘液蛋白的表达，促使COPD炎性细胞增生产生炎性介质引发炎性反应进展及粘液高分泌，进而发生内皮细胞凋亡及黏膜增生等一系列病理改变，加重COPD的进展。

三、氧化应激

研究表明PM2.5表面富含铁、铜、锌、锰等金属，以及多环芳烃[3]。这些成分可刺激肺上皮细胞释放活性氧(ROS)，如超氧物和过氧化氢。Zhang等[20]研究发现PM2.5暴露后可增加COPD组织中血管紧张素-II(Ang-Ⅱ),Ang-Ⅱ的增加可激活NF-κB通路引起强烈的炎症反应，却通过抑制核因子促红细胞生成相关因子2(Nrf-2)的信号通路，促进ROS活性增高，加重氧化/抗氧化反应，而Nrf-2是细胞防御化学/氧化应激的重要调节因子，血红素加氧酶1(HO-1)是Nrf-2激活后转录的蛋白之一。因此一旦PM2.5沉积在肺细支气管和肺泡表面，可刺激上皮细胞释放ROS，ROS激活Ang-Ⅱ/NF-kB信号通路和抑制Nrf-2/HO-1信号通路增强COPD大鼠炎症反应和氧化应激。

四、表观遗传

表观遗传学是指基因的核苷酸序列不发生改变的情况下，可遗传的基因表达水平的改变，包括DNA甲基化 、组蛋白修饰重塑等[21]。研究发现高PM2.5暴露后，健康青年人调节炎症和氧化应激的基因发生了甲基化，如含有45(TRIM45)基因在高PM2.5下三重基序甲基化显著，该基因的靶蛋白调节丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)和NF-κB炎症信号通路[21]。Na等[22]发现MAPK和NF-κB信号通路的激活与柴油排放颗粒暴露后人气道上皮细胞MUC5AC和MUC5B基因的上调相关，而MUC5AC和MUC5B两种粘蛋白的高表达，使COPD大鼠的粘液高分泌[12]，而粘液高分泌会导致小气道阻力增加，气流受限进行性加重，导致COPD肺功能下降加重。

上述研究表明，PM2.5长期暴露，会使其成分沉积在COPD患者的肺细支气管和肺泡表面，刺激肺上皮细胞释放ROS，激活Ang-Ⅱ/NF-κB信号通路和抑制Nrf-2/HO-1信号通路，增强COPD患者的炎症反应和氧化应激或促使粘液高分泌，或通过Notch信号通路引发免疫失衡，加重炎症反应和气道粘液高分泌，或影响基因甲基化等一系列致病过程，增强支气管炎症、杯状细胞增生和粘液高分泌，进而导致小气道重塑和肺气肿的升高，使气流受限进行性加重，肺功能下降，影响COPD的发展[12]。

PM2.5对肺部微生态的影响与COPD发病机制的关系

一、PM2.5与肺部微生态

Yang等[23]研究发现暴露于PM2.5后，细菌物种多样性下降，允许其他种类扩大，表明暴露损害了肺组织中的生态位平衡，干扰了细菌多样性。Li等[24]研究发现PM2.5暴露会扰乱肺微生态结构，引起肺损伤。进一步分析发现PM2.5暴露引起的肺损伤中丙酮酸和嘧啶代谢紊乱。代谢组学分析发现，核苷主要通过两种途径分解代谢，一种是氧化途径，另一种是还原途径，而嘧啶可以降解为简单的代谢物，成为碳和氮的来源[25-26]。其中氧化途径仅在一些细菌中被报告,如大肠杆菌[25]，而还原途径存在于一些古生菌、细菌和真核生物中[26]。且研究表明，肺代谢物的改变与肺微生物群有显著的相关性[27]。Olou等[28]研究发现脱氧尿嘧啶有抗氧化特性，且观察到脱氧尿嘧啶核苷可以去除ROS 诱导的应激。所以PM2.5引起的肺代谢谱紊乱与慢阻肺的微生物区系变化之间，可能存在因果关系。

二、肺部微生态与COPD

随着技术的发展，打破了传统认为肺是无菌的[29],进一步研究发现下呼吸道有类似上呼吸道的微生物群，且证实了肺部微生物群研究中确定的口腔微生物群，是由于一种生理过程，如吸入，而不是在支气管镜检查或咳痰受到污染[30],部分肺部微生物与肠道重叠[31],且还有一部分可能在出生时就已经定植在呼吸道中[32]。肺部微生态还可能受年龄、吸烟、肺移植、不正常的解剖结构和可能改变微生物组的药物使用等的影响[25]。

Pragman等[30]发现在COPD患者中放线菌、链球菌、丙酸杆菌、棒状杆菌、德沃西亚属、罗氏菌属和嗜血杆菌属，是慢性阻塞性肺病肺部微生物群中最丰富的属，随着COPD严重程度的改变，肺部微生物群也发生了变化，在COPD病情加重期间，主要的菌群变化是变形杆菌、厚壁菌或拟杆菌，在严重(慢性阻塞性肺疾病全球倡议3)COPD患者加重期间检测到链球菌和莫拉氏菌水平[33]。因此COPD的加重与支气管微生物组的异质性变化可能有关，与COPD病原体相关的物种丰富度种类增加，有助于组成和功能稳态的微生物群成员减少。

三、PM2.5对肺部微生态的影响对COPD发病机制的影响

Wang等[34]发现嗜血杆菌及其他蛋白细菌比例增加可能会将正常肺微生物生态系统改造成一种失调状态，肺部微生物群的失调可能间接触发CXCL8/IL-8的过度产生。PM2.5暴露也可升高人支气管上皮细胞中IL-6、IL-8的水平[35]。而CXCL8/IL-8是中性粒细胞的趋化剂，中性粒细胞的活化和聚集是COPD炎症过程的一个重要环节，CXCL8/IL-8在慢阻肺患者血清中明显升高，可诱导气道炎症，产生粘液加重慢阻肺[36]。因此PM2.5与菌群失调可共同作用引起CXCL8/IL-8升高，加重COPD。

Yadava等[37]发现肺微生物群可诱导局部IL-17反应，而Th17细胞的主要效应因子是IL-17，PM2.5暴露会使COPD组血清中IL-17的增加更加显著，加重Th17/Treg的免疫失衡，参与Notch信号的调节导致慢性肺疾病发展[17]。而Liu等[38]研究表明空气颗粒物暴露下的IL-6是炎症过程中上皮细胞上细胞间粘附分子-1(ICAM-1)表达的重要诱导因子，且ICAM-1表达与NF-κB通路密切相关，曾有研究发现乳杆菌可激活NF-κB和MAPK通路，进而引起免疫细胞反应[39]，因此PM2.5及其载带的微生物可能会引起COPD肺部微生态的失调，激活相关通路引起免疫细胞的免疫应答引起炎性因子水平的变化，加重慢性阻塞性肺疾病的进展。

PM2.5与其他因素相互作用对COPD的影响

研究发现PM2.5暴露后在COPD患者和人支气管上皮细胞中，母体表达的基因3(Meg3)具有LncRNA的功能[40]。Song等[41]进一步研究发现Meg3在COPD组织中表达增高，且与 FEV1% 呈负相关。这些结果提示PM2.5长期暴露后可能会通过影响基因的表达引起人气道上皮细胞炎症反应和氧化应激，进而引起慢阻肺肺功能的下降，加重COPD的发展。

另有研究发现虽然PM2.5可通过ROS激活Ang-Ⅱ/NF-κB信号通路和抑制Nrf-2/HO-1信号通路增强COPD大鼠炎症反应和氧化应激，但冷应激会协同PM2.5使上述变化更显著[20]。此外，Zhao等[42]研究发现长期暴露于PM2.5会导致COPD组肺功能下降，肺气肿病变和气道炎症。而香烟烟雾与PM2.5实验组使上述变化更明显。因此香烟烟雾与PM2.5同时暴露可能会加重COPD进展。

总 结

综上所述，PM2.5暴露可刺激COPD肺上皮细胞及巨噬细胞释放炎症因子，引起IL-6、IL-8等升高，同时PM2.5暴露后COPD的优势菌群也会引起IL-6、IL-8等升高，引发炎症反应。PM2.5暴露还可引起Th1和Th17介导的免疫紊乱，使Notch信号通路处于过度激活状态，加重COPD的免疫紊乱，而肺部微生物也可引起相应的免疫失衡。另外乳杆菌可激活NF-κB通路，而NF-κB信号通路与PM2.5暴露引起COPD的炎症反应、氧化应激等机制密切相关，因此肺部微生态可协同PM2.5引发上述机制的发生,进一步导致COPD肺部微生态的紊乱，引发肺损伤，或PM2.5通过影响肺部微生物的代谢途径诱导氧化应激反应导致肺功能下降。而香烟烟雾及冷应激等也可协同PM2.5，影响COPD的发展，这为研究慢阻肺发病机制提供了一个全方位的思考。

展 望

空气污染一直是全球关注的问题，而其对慢阻肺发病机制的影响也倍受瞩目。随着宏基因组测序技术及代谢组学的发展，为研究慢阻肺的发病机制提供了一个新的思路如PM2.5如何引起慢阻肺微生物菌群失调的或者PM2.5与肺部微生物群落之间如何作用促使慢阻肺进展的或PM2.5对慢阻肺微生物的影响是否会影响代谢紊乱而加重慢阻肺。了解肺部微生态中菌株的免疫潜力及其发病机制，有助于选择改善呼吸道疾病发病频率的菌株，减轻疾病严重程度。但随着慢阻肺疾病的进展，使用皮质类固醇激素的频率增加，会影响慢阻肺微生态的研究，这仍然是一个有待解决的问题。而减少工业污染物的排放，仍是目前我国迫切需要解决的问题。