大气细颗粒物对血小板的影响及作用机制

2021-11-27宋丽莹赵金镯

中国建筑金属结构 2021年11期

宋丽莹赵金镯

细颗粒物（Fine particulate matter，PM2.5）作为空气污染的首要污染物，与多种疾病的发生发展密切相关。血小板是血栓形成的重要介质，参与了机体免疫、反应和炎症反应，与动脉粥样硬化、心肌梗死和卒中密切相关。尽管多项研究显示PM2.5的吸入暴露能够增加心肌梗死、卒中和动脉粥样硬化的发生发展，但其对血小板影响的相关研究较少，具体的致血小板损伤的机制也有待进一步探索。

空气污染，尤其是细颗粒物（Fine particulate matter，PM2.5）污染与人类健康的关系受到越来越多的重视。PM2.5作为室外和室内空气污染的首要污染物，与呼吸系统疾病、循环系统疾病和代谢综合征的关系在流行病学和毒理学研究中已经得到了广泛论证。其中，PM2.5与心血管疾病、血栓形成、动脉粥样硬化等相关健康问题的研究颇多。

血小板是重要的循环血细胞，无细胞核，胞内含有大量颗粒（α 颗粒、致密颗粒、溶酶体）。在血管损伤的部位，血小板通过滚动、黏附的过程，再通过膜受体识别受损血管壁暴露的血管性血友病因子（von Willebrand factor，VWF）/胶原（Collagen），起始血小板的黏附和活化。随后，血小板内的颗粒在血小板活化后释放，正反馈促进血小板激活，完成止血过程。

血小板是免疫反应、炎症反应和血栓形成的重要介质，与动脉粥样硬化、心肌梗死和卒中的发生发展密切相关。尽管目前多项研究显示PM2.5的吸入暴露能够增加心肌梗死、卒中和动脉粥样硬化的发生发展，但关于PM2.5对血小板影响的系统性研究仍较少，具体的致病机制也有待进一步探索。本文梳理了PM2.5暴露对血小板活性改变和血液高凝状态的影响及相关作用机制，试图阐明抗血小板治疗在防治PM2.5暴露所致动脉血栓中的作用，并为相应的药物干预提供科学依据。

1.PM2.5 暴露影响血小板活性导致机体高凝状态

颗粒物暴露可以引起血小板功能和活性的改变，急性暴露可促发血栓性心血管事件，导致人群死亡率上升。颗粒物增加心血管疾病风险最主要的途径是促进动脉粥样硬化的发展，这也是大多数心脑血管疾病的潜在病因，而血小板可促进单核细胞向动脉粥样硬化斑块内的炎症内皮细胞募集，与动脉血栓和动脉粥样硬化密切相关。

动物实验显示，颗粒物暴露后，血小板数量呈现增高、降低或不变，但目前尚无统一定论。动脉血栓的形成涉及血小板的黏附、聚集、释放和纤溶功能，在不同研究中其变化水平也不尽相同。较为统一的是：颗粒物对血小板活性有较大影响，使机体处于促凝状态，并可以加速动脉血栓的形成。同时，颗粒物暴露后能导致炎症反应升高，表现为多种血清细胞因子水平升高（MIP-1α、MIP-1β、IL-6、IL-10、TNF-α、M-CSF、GM-CSF、PDGF-bb、RANTES）[1]。

人群研究显示，PM2.5暴露后，血小板激活、血小板数量增加、纤维蛋白原和白细胞数量增加机体呈现全身性系统炎症，并且会使血小板源生长因子（Platelet-derived growth factor，PDGF）受抑制[2]。从慢性病患者中观察到，短暂暴露于颗粒物的糖尿病患者中血小板快速活化，这表明吸入受污染的空气可激活心血管风险较高的患者（包括动脉粥样硬化斑块患者）的原发性止血[3]。另有随机交叉双盲实验显示，人急性吸入暴露柴油车尾气颗粒物（Diesel exhaust particles，DEP）后，血细胞比容增加[4]，血栓形成、血小板－中性粒细胞和血小板－单核细胞聚集增强，这表明短期DEP 暴露会导致血液浓缩和血小板增多，是急性心血管事件的重要决定因素。但也有研究显示，虽然颗粒物增加系统炎症和凝血的标志物水平，但不影响血小板激活和内皮功能紊乱，不影响血小板聚集情况。因此，人群在颗粒物暴露后的血小板数量、活性等指标变化仍不统一，不仅是成人，PM2.5也使胎儿血栓血管病变风险增加。

吸入空气颗粒物不仅对血小板产生影响，还会引起凝血系统的变化，机体往往表现为促凝状态。意大利1218 位志愿者的凝血相关测试显示，短期暴露于空气污染物后机体呈现出高凝状态。长期暴露于PM10 与凝血功能的改变和更高的深静脉血栓风险相关。空气污染的急性暴露不仅能增加血浆黏性、导致内皮功能紊乱，也能增加凝血因子的水平，缩短凝血酶原时间，同时影响血小板活性。健康志愿者呼吸暴露于DEP 后，其血栓形成、血小板－中性粒细胞、血小板－单核细胞聚集均有所提升。颗粒物的暴露还与系统炎症反应、纤维蛋白原、血小板数量和白细胞数量的增加相关，特别是高浓度PM2.5可引起血栓前期状态。此外，在颗粒物/柴油废气环境下锻炼后，机体表现为缺血负荷的增加，血管舒缩功能障碍及纤溶系统平衡的破坏，同时表现为内源性纤溶酶原的重要调节因子——组织纤溶酶原激活剂（Tissue plasminogen activator，t-PA）水平降低[5]，可能进一步导致动脉阻塞和组织梗塞的形成。

综上，颗粒物的暴露与血浆黏度、急性期反应物的升高、血小板的活性改变有关，这些血栓形成效应在静注或气管滴注超细颗粒物、DEP、PM2.5的实验中均有所体现，表明颗粒物对血液循环系统的影响，但对血小板的确切影响仍需进一步系统性研究。另外，颗粒物的暴露还会引起凝血系统的改变，使机体呈现促凝状态。

2.PM2.5 对血小板影响的作用机制

血小板黏附和聚集在原发性止血中起重要作用，但血小板的过度活化将导致病理血栓的形成和不同类型的器官衰竭。PM2.5对血小板产生毒性作用的可能作用机制，将在下文进行综述和探讨。

2.1 氧化应激

氧化应激的典型表现为活性氧（Reactive oxygen species，ROS）的增加。内源性ROS 的产生通常与细胞因子、外源化合物、细菌感染、线粒体氧化代谢相关，也与信号传导、抗感染等多种生理过程相关。异常水平的ROS 升高可以损伤蛋白质、脂肪乃至核酸，异常调节细胞信号通路，与动脉粥样硬化等疾病的发生发展相关。

ROS 的主要来源是线粒体内膜电子传递链，以及细胞质膜上的NADPH 氧化酶。在线粒体中的电子传递链中，包含4个复合物，分别为复合物I、II、III、IV，依次传递电子，同时形成线粒体膜间腔与线粒体基质中的质子浓度梯度，用于ATP合成酶合成ATP。在电子传递过程中，最终将电子传递给O2，期间非平衡态的氧化磷酸化将导致活性氧的大量产生，进一步损伤细胞内大分子。除了线粒体电子传递链的功能紊乱，ROS的产生还可能与NADH 氧化酶（NADH oxidase，NOX）、氧化性低密度脂蛋白（Oxidized low-density lipoprotein，oxLDL）相关。

血小板中的内源性ROS 是血小板中的信号转导分子。GPVI 仅在血小板和巨核细胞中表达，其最主要的生理配体是胶原。在人类血浆中，sGPVI 表现为血小板功能的特异性标志物，在动脉血栓、炎症、免疫紊乱状态下均会上升。配体与GPVI 结合后，通过Syk 依赖性通路和Syk 非依赖性通路在下游产生ROS，其中Syk 依赖性通路可以通过BAY61-3606 进行阻遏[6]。ROS 的产生不仅可以直接调控下游信号通路，还可以通过蛋白质酪氨酸磷酸酶（Protein tyrosine phosphatases，PTPs）抑制Syk 对下游信号的调控。

颗粒物的暴露可引起ROS 的产生和抗氧化酶等的变化，而血小板中高水平的ROS 又与血小板激活、血栓疾病、糖尿病、高脂血症和代谢综合征等疾病相关。这种ROS 增多促发血小板活化的效应，可以通过使用NOX 抑制剂、ROS 清除剂如维生素C、维生素E，减少钙离子动员，改善血小板的激活和聚集。同时，其他研究表明短期颗粒物暴露能增加血小板聚集，阿司匹林和鱼油也可以用于减缓这一效应。因此，氧化应激可能是颗粒物暴露导致血小板损伤后所表现出的毒性效应，也可能是导致血小板损伤的启动因素或作用机制，抗氧化干预可以减缓颗粒物引起的部分毒性效应。

2.2 炎症反应

炎症与血小板活性的增强有关，由于炎症因子的升高，也可导致机体处于促凝状态。血小板表达许多趋化因子受体，包括但不限于CCR1、CCR3、CCR4、CXCR4 和CX3CRI。促炎细胞因子激活这些受体可以启动血小板，而不直接诱导血小板聚集，这种启动导致血小板对凝血酶等生理激动剂更敏感，从而在系统水平上建立促凝环境。此外，血小板与免疫系统的活动相关，血小板可以招募白细胞，血小板的凝血酶受体PAR4、CXCL7 与CXCR1/2 的激活促进白细胞的募集和迁移[7]。血小板表面受体与白细胞的结合，能够增加血小板表面蛋白P-selectin 和CD40 的表达[8]。

颗粒物暴露后炎症指标也表现为上升趋势，IL-1β、IL-6等炎症因子是重要的变化指标[1]。颗粒物暴露还激活交感神经系统，导致儿茶酚胺的全身释放，儿茶酚胺与小鼠肺泡巨噬细胞上的beta2-肾上腺素能受体（beta2AR）结合，增加了IL-6的释放，加速动脉血栓形成，减少肺部巨噬细胞产生的IL-6能够改善促凝状态。另一重要的促炎因子IL-1β 能够提高内皮细胞通透性，募集和黏附更多的白细胞，提高血小板与纤维蛋白原/胶原的黏附，促进胶原对血小板的聚集效应。另外，有研究表明，PM2.5可引起血管JAK1 和STAT3 基因表达升高，对JAK2 基因表达无明显影响[9]，而JAK-STAT 通路是经典的炎症反应激活通路。此外，Sirt1 在炎症反应的发展中也具有重要作用，通常认为其具有一定的抗炎作用。Sirt1 基因敲除小鼠暴露于颗粒物后表现为肺血管渗漏、肺凝血和炎症加重，肺Kruppel 样因子2（KLF2）和血栓调节蛋白（Thrombomodulin，TM）表达下降；而Sirt1 基因表达的上调能改善此症状，上调KLF2 和TM 蛋白表达，这表明Sirt1 在暴露于颗粒物后具有抑制凝血的功能[10]。值得关注的是，线粒体不仅是细胞产生ROS 的重要位置，也与炎症反应密切相关。血小板中线粒体是重要的细胞器，ROS 与炎症反应的协同作用可能进一步促进颗粒物对机体的毒性效应。

2.3 Ca2+离子通道

Ca2+离子通道（Calcium channel）是细胞中选择性通透Ca2+的离子通道，其化学本质是蛋白质，包括电压依赖性钙通道（VDCC）和配体门控钙通道（LGCC），Ca2+离子通道在内质网、细胞膜上均有分布，对多种细胞内Ca2+浓度的调节起到了重要作用。在不同的血小板活化过程中，决定性的中心步骤是细胞质中Ca2+浓度的增加，Ca2+介导微丝和微管的收缩，影响血小板变形、聚集、释放，进而促进血栓形成。血小板中Ca2+主要取决于胞外钙内流、胞内钙池释放、线粒体摄取和释放。尽管PM2.5对许多细胞中Ca2+相关的受体均有影响，如SERCA、TRPV1、TRPA1、IP3R、STIM1，ORAI1 等，PM2.5能够影响心肌细胞Ca2+再摄取[11]，增加Jurkat T 细胞中Ca2+浓度。其他研究也显示PM2.5可以激活内质网应激，进一步影响细胞氧化应激和钙离子内流，加重PM2.5的毒性效应。尽管目前研究显示PM2.5通过作用于离子通道、细胞器等对细胞内Ca2+产生影响，进而引起其他的毒性效应，但目前鲜有研究报道其在PM2.5暴露后血小板中所发挥的作用机制。

3.多组学可用于探究颗粒物暴露后血小板分子机制的变化

PM2.5是成分复杂的混合物，不同来源的样本成分差异较大，其作用靶点丰富，作用机制多样化，因此借助高通量基因组学和蛋白组学可以挖掘更多的潜在致病机制。骨髓中成熟的巨核细胞可以产生血小板。有研究将血小板蛋白组学与mRNA组学进行比较，其结果具有一定的差异性，考虑到血小板是无核细胞，虽然血小板细胞质中携带一定的mRNA，但蛋白表达水平不完全受mRNA 调节。同时，巨核细胞边缘的mRNA 可能是随机脱落进入血小板中，这表明血小板中的mRNA 不能完全代表其基因转录和表达水平。综上，对颗粒物暴露后的血小板进行蛋白质组学分析更准确，而对巨核细胞进行转录组学分析，并对两者进行相关性分析，更能客观反映颗粒物对血小板基因表达水平的影响，这也为探索PM2.5对血小板影响的作用机制提供了参考。但目前尚没有从蛋白质组学和转录组学对PM2.5所致血小板损伤机制进行的探讨，所以从蛋白质组学和转录组学角度探索PM2.5致血小板损伤的机制将更有价值。