空气污染微颗粒与慢性肝脏疾病发病关系的研究进展▲

朱紫馨 罗新华

1 贵州医科大学附属医院感染科，贵州省贵阳市 550000；2 贵州省人民医院感染科，贵州省贵阳市 550001

随着全球经济的快速发展，人口逐步向中大城市集中，城市化进程不断加快，由此带来的一系列问题会严重威胁城市居民的健康，其中最为突出的就是空气污染问题。柴油车和汽油车使用化石燃料所产生的废气颗粒及其不完全燃烧所产生的炭黑(CB)等颗粒物(PM)是构成城市大气污染的主要物质，而由细颗粒物造成的空气污染对人体健康的危害甚至比沙尘暴更大[1-2]。粒径10 μm以上的颗粒物，会被挡在人体的鼻子前面；粒径在2.5～10 μm之间的颗粒物则能够进入人体上呼吸道，其中部分可通过痰液等排出体外，部分被鼻腔内部的绒毛阻挡，对人体健康危害相对较小；而粒径在2.5 μm以下的细颗粒物(PM2.5)即空气动力学直径≤2.5 μm 的气溶胶粒子(直径相当于人类头发的1/10)则不易被阻挡，对人体健康有很大的危害[3]。PM可增加暴露于其中普通人群罹患抑郁症的风险[4]；PM2.5表面可吸附大量重金属、多环芳烃等有害物质，可随呼吸进入人体肺组织深部，其所携带的水溶性组分或非水溶性纳米粒子经由肺部毛细血管通过血液循环到达其他肺外器官[5]。流行病学研究结果显示，环境中的PM2.5每增加10 μg/m3，暴露人群的心血管疾病死亡事件增加11%[6]。肝脏作为代谢人体重要外源性化学物质的解毒器官，对空气污染同样敏感，空气污染可导致慢性肝病的发生发展。本文就空气污染微颗粒对肝脏损害的可能机制及其与不同类型肝病关系的研究概况综述如下。

1 空气污染导致肝脏损伤的可能机制

1.1 全身广泛的毒性效应 PM中的水溶性组分如重金属等可转移到肺外体循环中。马叶冰等[7]运用碳粉颗粒雾化处理C57小鼠6周后，对小鼠全身多组织器官行HE及马松染色进行观察，除发现小鼠肺部胶原纤维增生沉积外，在小鼠胰脏、肝脏、心脏、小肠等器官均发现有碳粉颗粒沉积，且大都分布于巨噬细胞中。Zhang等[8]报道，长期PM暴露大鼠的线粒体超微结构会发生改变，大鼠的空间学习及记忆能力也同时受损。由此可见，空气污染并不只是对机体的肺部及皮肤产生损害，同时对全身多脏器造成毒性损伤。

1.2 氧化应激效应加剧 研究表明，空气污染会增强机体的氧化应激反应，暴露于高浓度PM的大鼠其脑血管的氧化应激损伤指标活性氧(ROS)、丙二醛(MDA)、氮氧化物(NOX)、亚基gp91蛋白水平升高，而超氧化物歧化酶(SOD)活性降低，氧化损伤效应加剧。PM不断产生的氧自由基会造成内皮功能障碍，诱导单核细胞活化并通过体循环沉积在非特定器官的血细胞或血管内皮细胞表面，这种作用可导致肝脏组织微循环的凝血酶原、肝细胞色素P450分解代谢反应增强，产生更多的ROS进一步扩大氧化应激效应，造成肝组织受损[9-12]。

1.3 免疫反应增强，炎症因子聚集 研究[13-14]发现，吸入的PM与机体免疫细胞(如肺泡或细支气管巨噬细胞)接触，刺激机体固有免疫反应，将促炎细胞因子释放到血流中，这种炎症环境可能会导致肝脏等器官的疾病进展；纳米颗粒可以与肝脏Kupffer细胞相互作用，诱导IL-6、IL-1β等促炎性细胞因子的产生[15]。空气污染造成的具体炎症环境进一步启动慢性肝病的发生发展。

1.4 DNA损伤及遗传毒性 Franco等[16]运用高效液相色谱-串联质谱(HPLCESI-MS/MS)法分析发现，PM高浓度暴露下小鼠的DNA氧化损伤产物8oxodGuo等在肝脏中的含量升高，认为PM会增加小鼠DNA的突变率，影响基因表达，导致蛋白质的活性降低。一些研究结果[17-19]显示，产前PM暴露小鼠与其胎儿生长受限、低出生体重、早产均存在相关性；孕妇暴露在污染空气中会引起氧化应激和炎症反应，对妊娠产生不利影响，导致胎盘血管生成受损。Tsamou等[20-21]采用qRT-PCR分析210例母婴胎盘组织中miRNA的表达情况发现，miR-21-5p、miR-146a-5p和miR-222-3p的表达水平与孕妇孕中期PM暴露水平呈负相关，而miR-20a-5p和miR-21-5p的表达水平与孕早期PM暴露水平呈正相关。郑昕蕊等[22]所进行的动物实验结果显示，妊娠期空气污染暴露可导致新生子代鼠心、肝、脾、肺、肾等主要脏器出现组织形态异常。李政一等[23]报道，妊娠期PM暴露小鼠所生子代数量减少，体重降低并出现无脑等畸形；小鼠成年后其肝脏组织中TGF-β1、α-SMA、CollagenⅢ蛋白表达水平升高，纤维化倾向明显。

2 环境PM2.5的肝毒性作用

一项包含351 852名成人参与的横断面研究结果显示，长期接触PM2.5会导致肝酶水平增高，与谷草转氨酶(AST)相比，谷丙转氨酶(ALT)和谷氨酰转肽酶(GGT)与PM2.5的关联性更强；另有研究结果显示，经常暴露于城市空气污染的警察的AST和ALT水平明显高于办公室工作人员。但值得关注的是，在PM2.5达到高浓度(约30 μg/m3)后PM2.5对AST水平的影响逐渐降低，但AST水平仍高于低PM2.5浓度时的水平(<18至20 μg/m3)，可能是因PM2.5达到一定水平时人体的反应已经饱和，之后由于超载而开始下降，而AST的升高与PM2.5浓度升高的关系并非呈现为单纯的浓度-反应曲线，肝脏可能可通过调控某种关键靶点而发挥保肝作用[24]。Hsieh等[25]报道，一项有74名美国儿童参与的研究结果显示，交通相关的空气污染与儿童的AST或ALT水平变化无关，但与儿童肝细胞凋亡标志物细胞角蛋白18水平的升高相关，认为PM暴露人群的基因、饮食、出行方式等多种因素都会对其肝损伤结局产生影响。Maglione等[26]报道，将BALB/c小鼠长期放置于布宜诺斯艾利城市空气[PM2.5平均值(33.63±3.05)μg/m3]中，其肝脏和心脏均会出现病理学结构改变，氧化代谢指标硫代巴比妥酸反应物(TBARS)、氨基转氨酶(AST，ALT)在小鼠血清中的含量升高。最开始小鼠肝匀浆中SOD、过氧化氢酶(CAT)被激活，内源性抗氧化物活性增强，以此抵抗PM的肝损伤，但随着暴露时间的增加小鼠肝细胞脂质蓄积增加，肝脏脂质过氧化物水平增加，氧化调控失衡。付亚晨等[27]运用气管注入法制作PM2.5大鼠染毒模型进行实验发现，染毒大鼠血清 ALT及AST水平升高，肝脏SOD及谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)活力降低，MDA含量升高；病理切片显示染毒大鼠肝细胞排列紊乱，间质重度充血，细胞固缩，双核细胞增加，可见大量散在炎性细胞浸润。秦双建等[28]报道，对暴露于不同季节同一环境中的大鼠进行检测研究发现，冬季PM2.5致大鼠肝损伤较夏季严重，认为可能与工业城市中冬季空气中的重金属、多环芳烃等有害化学物质浓度高于夏季有关；采空气样品过滤冷冻干燥后制成PM2.5样品混悬液对LO2肝细胞进行染毒处理观察发现，PM2.5浓度升高，使得c-myc、c-fos、Caspase-3、Caspase-8表达水平显著升高，而抑癌基因P53、抑制凋亡指标p53、Bcl-2表达水平下降，认为PM2.5对L02肝细胞的促凋亡相关基因和促癌基因具有一定的促进与激活作用[28]。

3 PM2.5与脂肪肝的关系

研究结果[29]显示，大鼠暴露于PM2.5中可诱导其肝脏出现综合性脂质积聚、氧化应激、胰岛素抵抗和炎症反应，导致肝脏出现非酒精性脂肪性肝炎(NASH)样表型。尽管非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)的发病机制尚未完全阐明，但脂肪变性被认为在NAFLD的进展中起着首要作用，但作为代谢紊乱的一种，肝脏脂质积聚与胰岛素抵抗(IR)密切相关，胰岛素受体底物-1(IRS-1)负责胰岛素信号转导，而其磷酸化会导致胰岛素途径激活[30-32]。Zheng等[33]报道，暴露于PM2.5下10周的大鼠与正常对照组大鼠比较，肝脏病理表现有显著性差异，PM2.5会在丝氨酸636和1101位点增强IRS-1的磷酸化，导致IRS-1介导的胰岛素信号通路受损，引起肝脏糖原合成减少，其机制可能为颗粒烟雾可通过c-Jun氨基末端激酶(JNK)活化蛋白1(AP-1)进一步活化核因子κB(NF-κB)，调控Toll样受体4介导的炎症途径，增加IL-1β等表达水平，而平衡肝脏脂质代谢的IRS-1/AKT信号通路则受到抑制，AKT磷酸化水平降低。研究[34-35]发现，真实环境中的颗粒物质PM2.5脂溶性提取物可上调HepG2细胞miR-26a的表达，负性调节脂肪酸转位酶(FAT/CD36)，导致脂滴蓄积，因此可认为长期空气污染颗粒物暴露会对机体基因层面产生影响。此外，PM环境可诱导C57BL/6小鼠出现胰岛素抵抗、肝脏巨噬细胞浸润、磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(PEPCK)水平上调，血糖对胰岛素的敏感性降低、糖异生增加，内源性葡萄糖释放入血，糖尿病发生风险增加。在环境PM暴露6个月后，留取小鼠肝脏进行质谱非靶向代谢组学(IC-FTMS)检测可观察到，肝脏中三酰甘油、甘油磷脂和鞘脂过量积聚，13C6-葡萄糖-6-磷酸、总G6P和果糖-6-磷酸(F6P)水平降低；采用同位素示踪法进行研究的结果显示，暴露于PM2.5的小鼠肝脏中的来自葡萄糖和非葡萄糖前体(如糖原)的肝糖酵解活性降低，棕榈酸、棕榈酸酯大量累积，三大营养物质转换能力受损[36]。

4 PM2.5与肝纤维化的联系

与有毒物质接触、慢性感染、机械性损伤、空气污染均为肝纤维化发病的独立危险因素[37]。Li等[37]报道，暴露于PM2.5中小鼠的肝组织胶原表达水平增加，转化生长因子β-SMAD3信号通路激活，过氧化物酶体增殖物激活受体γ的表达受到抑制，肝星状细胞活化。Qiu等[38]报道，空气中细颗粒物可活化LX-2细胞和原代肝星状细胞(HSC)，高浓度细颗粒物暴露可导致ROS和活性氮(RNS)以及脂质过氧化标志物MDA水平显著上调，长期(60 d)高剂量(1.5或2.7 mg/kg)PM2.5暴露可导致大鼠肝脏的 MMP13 mRNA和蛋白质表达增加。MMP13表达的升高可促进胶原蛋白的水解，长期暴露于空气污染环境中的机体或能启动保护机制减缓空气污染暴露引起的肝纤维化进程[39]。

5 PM2.5与肝癌的关系

Deng等[40]通过追踪2000年至2009年在美国加州被确诊为肝细胞癌(HCC)的2121例患者，使用Cox比例风险模型分析死亡相关因素发现，暴露于较高浓度PM下的患者其生存期明显缩短。我国台湾通过长时间(16年)对10万常住居民进行随访发现，PM2.5的增加(每IQR增量，13.1 μg/m3)与居民的HCC发病率呈正相关[41]。Oliveira等[42]报道，暴露于高浓度PM环境(每日1个小时，连续3个月)的小鼠，其肝脏DNA表观遗传学标志物5-羟甲基(5-HMC)的水平降低。5-HMC为去甲基化的中间产物，参与DNA去甲基化的过程,其表达水平下降提示机体DNA甲基化水平稳态被打破，TET家族基因发生突变；5-HMC水平降低则肝癌细胞高水平增殖，肿瘤进程加快。Ye等[43]运用PM2.5脂溶性提取物干预HepG2细胞发现细胞的活力降低，通过代谢组学分析发现，提取物可降低细胞中柠檬酸/异柠檬酸和乌头酸含量，导致2-羟基戊二酸和琥珀酸积累；同时氧化磷酸化的能量供应减少，甲基化和氧化还原稳态紊乱，导致肿瘤代谢物(2-羟基戊二酸和琥珀酸)积累，线粒体功能紊乱。Zhang等[44]报道，在肝癌细胞中，RAC-α-丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶(AKT)的磷酸化与PM2.5浓度呈正相关。AKT拮抗剂LY294002能降低PM2.5诱导的肝癌细胞迁移、侵袭，而AKT会导致MMP-13表达水平升高，MMP-13具有降解胶原，减少细胞外基质的功能，肝癌组织中的MMP-13表达水平升高可增强癌细胞侵袭功能，空气污染对肝脏的影响与机体本身的基础疾病密切相关。

6 小 结

越来越多的研究结果显示，空气污染物与人体肝脏疾病的发病率增加有关，细微颗粒可通过肺部微血管进入肝脏，导致肝细胞氧化应激加剧和DNA链断裂。此外，细颗粒物通过改变脂质代谢和诱导促炎环境参与脂肪性发病进程，增强肝癌细胞的侵袭能力。但真实环境中空气污染细颗粒物的成分复杂，其单个组分对肝脏疾病进程、肝脏不同类型细胞的影响尚不明确，对不同基因谱系暴露人群的影响也存在差异。对空气污染这一全球性问题找到合理而有效的预防及治疗策略还有待进一步深入研究。