大气PM2.5损伤呼吸系统健康的潜在机制

李晶 陈晶晶 张念志

环境空气颗粒物(PM)是影响空气质量和人体健康的重要物质，按其直径大小可分为总悬浮颗粒物(TSP)、可吸入颗粒物(PM10)、粗颗粒物(PM2.5～10)、细颗粒物(PM2.5)和超细颗粒物 (PM0.1)。2018年5月，世界卫生组织(WHO)评估结果公布[1]，2016年全球约有 91% 的人口生活所在地区的空气质量水平超过 WHO《空气质量准则》建议的PM2.5年均值10μg/m3，有420万例死亡病例与暴露于室外空气污染有关，而这些过早死亡又主要发生在中低收入国家。大气污染同时也是慢性非传染性疾病死亡的主要原因。其中43%的肺部疾病死亡、29% 的肺癌死亡、24%的中风死亡、25%的心脏病死亡与大气污染有关。目前已有大量研究证实，PM2.5对呼吸系统的影响较大[2-5]，因其表面积更大，易吸附有毒物质和重金属，传播距离更远，在大气中停滞时间更长，并能进入肺泡终端甚至血液循环。为探究PM2.5致病的潜在机制，笔者试从病理生理学机制和细胞与分子学机制两个层面来进行探讨。

病理生理学机制

一、损伤肺组织

PM2.5是颗粒物到达肺泡的临界值，粒径小于2.5微米的颗粒物，会进入细支气管、肺泡，再通过肺泡壁进入毛细血管，从而进入整个血液循环系统。不同地区PM2.5的组成也不尽相同，PM2.5通常由微小的碳核和空气中的微小水滴组成，在某些污染严重的地区还会吸附重金属和尘埃颗粒等，这些被吸附的有毒颗粒可以直接进入肺泡，长时间滞留，很难被清除排出，因此，肺是PM2.5致病的直接靶器官。Jiang[5]等研究发现，PM2.5气管滴注小鼠肺组织，可见炎症细胞浸润和肺泡间隔增厚，而CARD9介导的(辅助T细胞17)Th17/Treg(调节性T细胞)分化，可能在PM2.5诱导的肺损伤中起重要作用。De Barros Mendes Lopes等[6]研究认为，PM2.5可致肺弹性增高，肺泡数量减少，从而导致呼吸功能异常，并且PM2.5可以通过影响子宫内的生物分子DNA损伤及其调控、炎症反应，最终导致成年小鼠肺泡数量减少，肺功能受损。Yang[7]等通过动物实验发现，经口鼻暴露系统吸入高浓度PM2.5后，大鼠肺实质明显水肿，肺泡上皮细胞部分损害，黏液层中的纤毛细胞及刷细胞等细胞出现损伤或死亡。Wang[8]等通过体内外实验发现，慢性PM2.5暴露小鼠肺组织病理显示支气管上皮细胞非典型增生，当在体外通过抑制剂RO4929097阻断了Notch信号通路后，PM2.5长期暴露A549(人非小细胞肺癌细胞)和BEAS-2B(人正常肺上皮细胞)中的EMT(上皮-间质转化)和CSC(癌症干细胞)特征得到抑制。

二、黏液纤毛清除系统功能损伤

黏液纤毛清除系统是呼吸道重要的防御机制之一，主要由黏液腺细胞、纤毛细胞、及其黏液组成。正常的气道黏液含有95%的水分，2%～3%黏液蛋白、0.1%～0.5%蛋白质、0.3%～0.5%脂质以及1%的无机盐。健康人气道上皮细胞的80%为纤毛细胞，纤毛运动功能异常将导致呼吸道防御功能下降，是造成呼吸道感染等疾病的重要因素之一。纤毛在两层黏液中运动，各种因素如烟雾粉尘刺激、感染等会引起黏液分泌增加、纤毛运动减慢，从而诱发多种呼吸系统疾病[9，10]。Zhao[11]等通过PM2.5吸入暴露系统将慢性鼻-鼻窦炎(CRS)兔暴露于环境PM2.5中，发现CRS家兔的纤毛破坏加重，杯状细胞增生和胶原蛋白沉积增加，并且CRS兔的鼻黏膜显示出明显升高的MUC5AC表达。

1 气道粘液高分泌 MUC5AC蛋白是一个重要的小气道上皮大分子粘蛋白，参与调控气道黏液的分泌[12]。作为一种分泌性粘蛋白，其可形成凝胶，为呼吸道及胃肠道等上皮提供物理屏障。郭志强[13]等研究发现，PM2.5慢性暴露的AR大鼠鼻黏膜紊乱、倒伏、组装和扭曲，并且鼻灌洗液中MUC5AC水平和杯状细胞增生显著增加。Huang[14]等研究发现，WSPM2.5(木烟来源的PM2.5)在大鼠气道中引起明显的粘液细胞化生和MUC5AC产生，并推测WSPM2.5诱导的鼻炎释放的自分泌作用与EGFR-ERK激活之间的正反馈回路促进了持续的粘液过度分泌。Feng[15]等认为芳香烃受体(AhR)参与PM2.5促氧化和促炎作用的分子机制，采用经鼻吸入法使大鼠暴露于1328±730 μg/m3浓缩环境颗粒中，结果发现大鼠气道上皮黏液分泌及MUC5AC表达增加，而高浓度氢气可减少环境PM2.5暴露大鼠的气道黏液高分泌，减轻芳香烃受体诱导的肺损伤。

2 肺内水平衡失调 PM2.5对呼吸系统的毒理作用主要表现为急性肺损伤，即肺泡和肺间质水肿伴高蛋白液体。AQP1是一种具有转运水和部分阳离子双重功能的跨膜蛋白,它的嵌入使生物膜对水的通透能力大大提高,对调节肺水平衡起着关键作用,与急性肺水肿的形成和清除密切相关[16]。李文可[17]等研究表明，PM2.5暴露可导致肺上皮细胞A549及大鼠肺组织中AQP1的表达水平显著升高,并伴有肺组织水肿。Cui[18]等研究发现，气管内推注PM2.5(4 mg/kg b.w，溶于50μL PBS中)24h以后，电镜观察肺细胞PM2.5沉积和线粒体肿胀，并可见肺和PMN(多形核白细胞)弥漫性肺泡内水肿。而这一病理过程可能为PM2.5诱导多形核白细胞(PMN)浸润以及内皮细胞及其配体上VCAM-1的表达，从而加剧了颗粒物诱发的肺损伤。

3 纤毛运动功能减弱 纤毛是上皮细胞顶端伸出的毛状突起，直径约0.2um，长约5～10um，上呼吸道每个纤毛上皮细胞约有250～270根纤毛，其主要作用是推进上皮表面的液体、微生物、灰尘或黏液膜。纤毛摆动是在 ATP 提供动能情况下，微管做滑行运动产生的，纤毛以 12～15HZ 向前向后摆动构成了整个纤毛摆动周期，当纤毛向前摆动时，将动能输送到顶端粘液层，有毒物质排出[19]。 段争[20]等研究发现，PM2.5暴露后，大鼠支气管纤毛出现排序紊乱、粘连和瘀斑，大鼠对肺炎克雷伯菌感染的易感性增加，细菌清除率减低。其机制可能与支气管黏膜纤毛系统受损及细胞因子的相互作用有关。Zhao[11]等研究也表明，PM2.5暴露后，慢性鼻-鼻窦炎(CRS)家兔纤毛显著破坏，并且鼻黏膜MUC5AC表达显著升高，由此推测纤毛破坏、鼻重塑和粘液分泌的增加可能是PM2.5诱导CRS加重的病理生理机制。

三、线粒体功能损伤

线粒体是生成三磷酸腺苷(ATP)和 活性氧(ROS)的主要场所，是细胞能量代谢和物质转化的核心，是外界不良刺激的重要靶器官。Nääv[21]等研究发现，PM2.5暴露后的HTR-8细胞透射电镜下可见线粒体空泡化、聚集的细胞骨架、染色质凝聚、扩张的内质网结构和自噬体，并且在暴露细胞的线粒体内膜内观察到PM2.5颗粒的摄取。Zhou[22]等研究发现，PM2.5暴露增加了血红素加氧酶1(HO-1)的表达和线粒体转位，从而减少了细胞色素C从线粒体释放到胞质，这一过程会阻碍PM2.5诱导的细胞凋亡并加快自噬相关细胞坏死。

四、代谢组学变化

目前已经有许多代谢组学研究证实，PM2.5暴露与代谢紊乱具有相关性，长期或短期暴露于PM2.5均会导致全身代谢谱变化[23]。有学者研究发现[24-26]，PM2.5暴露后肺泡灌洗液中卵磷脂和溶血卵磷脂显著增加。磷脂是各种生物膜的重要组成成分，也是前列腺素和白三烯的前体，这也间接说明了PM2.5暴露会诱导肺部炎症反应，导致呼吸系统疾病的发生。Li[26]等研究证实，PM2.5气管滴注小鼠肺组织代谢谱发生显著变化，富马酸、缬氨酸和异亮氨酸等参与能量代谢的氨基酸代谢水平降低，表明PM2.5暴露加速了三羧酸循环和能耗，致能量代谢紊乱，并最终表现为肺损伤。

细胞与分子机制

一、炎症反应

炎症反应既是一种病理过程，又是一种机体积极防御病原体的方式，在这一过程中，T淋巴细胞和机体其他细胞，如上皮细胞、成纤维细胞、中性粒细胞、肥大细胞等产生各种细胞因子，如白介素系列、干扰素-γ、肿瘤坏死因子、化学趋化因子等，这些呼吸道炎症反应促炎因子，可促使多种炎性细胞如巨噬细胞、中性粒细胞和肥大细胞等向呼吸道黏膜中趋化和移行，并在此引起肥大细胞脱颗粒和释放介质，相关细胞释放细胞因子和化学趋化因子等，使炎症进行性加重。

Wang[27]等研究表明，PM2.5能显著增加哮喘小鼠气道阻力和肺部炎症，增加支气管肺泡灌洗液中炎性细胞、嗜酸性粒细胞、巨噬细胞、中性粒细胞和淋巴细胞的数量，并且降低小鼠肺组织中抗氧化酶含量，通过上调microRNA-206的表达导致ROS水平升高。Zou[28]等研究发现，PM2.5通过Wnt5a/Ror2信号传导诱导人支气管上皮中IL-6，IL-8和IL-1β的分泌，采用Wnt5a拮抗剂(BOX5)可减轻其炎症反应。

二、氧化应激

氧化应激与慢性阻塞性肺病、支气管哮喘、特发性肺纤维化等呼吸系统疾病关系密切。大气环境的变动、污染物的刺激、炎症反应等均能使机体产生大量自由基，诱导肺损伤。肺内的主要氧化物包括ROS(活性氧族)和RNS(活性氮族)。ROS包括氧直接或间接转变的氧自由基和活性高的非自由基氧代谢产物，如H2O2(过氧化氢)、OH·及ROO·、ROOH(有机过氧化物)等比氧活泼的物质。它可以通过脂质过氧化作用，对核酸和蛋白质的损伤来损伤肺组织。氧化应激指标主要包括四类[29]：①活性氧及其化合物：H2O2、NO(一氧化氮)等；②酶类抗氧化剂：SOD(超氧化物歧化酶)、CAT(过氧化氢酶)等；③非酶类抗氧化剂：GSH(谷胱甘肽)、VitC(维生素C)等；④氧化应激损伤标志物：LOOH(脂质氢过氧化物)、8-OHdG(8-羟化脱氧鸟苷)等。

Li[30]等研究发现，PM2.5处理后的人肺泡上皮细胞细胞凋亡和活性氧(ROS)生成增加，miR-486(微小RNA)的表达降低，而miR-486模拟物可以负反馈调节这一过程。徐贞贞[31]等将支气管上皮细胞暴露于PM2.5 24h以后，细胞内ROS水平及JAK2、STAT3的基因表达均高于对照组，认为PM2.5可引起支气管上皮细胞氧化损伤，进而通过氧化应激调节上皮细胞JAK/STAT信号通路及相关细胞因子，造成细胞损伤。

三、DNA 损伤

关于PM2.5致DNA损伤的机制，目前有三种猜想。一是PM2.5通过氧化应激使机体产生过多的ROS，而这一进程会氧化核酸，特别是DNA,使其机构改变，功能丧失，从而启动细胞凋亡或类凋亡死亡程序。二是PM2.5通过破坏生物膜(如细胞膜及细胞器膜等)，使膜内介质如水溶酶释放入胞质，造成细胞损伤。三是PM2.5所携带的某些化合物，如多环芳烃(PAHs)和硝基化合物(如硝基-多环芳烃、羟胺、3-硝基苯并蒽酮)，具有致畸及致突变性，造成DNA损伤。Li[32]等通过动物实验表明，PM2.5暴露可以通过ERK-DNMT途径增加CD4+T细胞中IFN-γ基因启动子的DNA甲基化来加剧过敏性鼻炎。Niu[33]等研究发现，PM2.5暴露后的人支气管上皮细胞可见DNA链断裂、染色质损坏，当PM2.5浓度增加至116.9μg/mL时，OGG1，XRCC1和PARP1等DNA修复基因的表达显著增加。Yang[34]等研究发现，敲除OGG1(一种DNA修复酶)可加重PM2.5损伤小鼠的肺纤维化、氧化应激和2型肺泡上皮细胞(AEC2s)死亡，而NF-κB抑制剂可促进PM2.5损伤后OGG1缺陷的AEC2s细胞增殖和自我更新，并减弱PM2.5诱导的小鼠肺纤维化和损伤。

四、细胞自噬

细胞自噬是细胞对内外界环境压力变化的一种反应，是对细胞内物质周转的重要过程，它通过自身细胞膜包裹损坏的蛋白或细胞器形成自噬小体，与溶酶体结合形成自噬溶酶体，最终被溶酶体降解，完成自身代谢及细胞器更新。细胞自噬受到复杂的信号传导网络调控，机体的炎症反应及氧化应激均可诱导细胞自噬的发生。

赵仁伍[35]等通过PM2.5染毒鼻上皮细胞24h后发现，PM2.5分别显著增加代表自噬体和自噬溶酶体的黄点和红点数量，并且IL-6和TNF-α等炎性细胞因子的分泌增加，说明自噬可诱导炎症因子释放，使炎症反应提前。Han[36]等研究发现，PM2.5可通过PI3K/AKT/mTOR信号通路诱导细胞凋亡和自噬，并推测其为减轻PM2.5诱导的肺部疾病肺损伤的潜在靶标。

小 结

综上，PM2.5可诱发机体的炎症反应及氧化应激，其携带的有毒成分可能致DNA变性，而炎症反应、氧化应激及DNA变性又可诱发细胞自噬，四者相互联系，贯穿在肺组织损伤的整个过程中，并且炎症反应及氧化应激被认为是PM2.5诱导肺损伤的主要机制。其病理机制可以概括为，PM2.5致气道粘液高分泌，肺组织水肿，纤毛运动系统功能失常，黏液纤毛清除系统功能损伤，而全身代谢组学的改变可能与线粒体功能损伤及细胞膜的破坏密不可分。

近年来PM2.5所致各系统损伤逐步被学者验证，各种西药如NAC(乙酰半胱氨酸)、维生素E、高分子透明质酸、氢气等也被证实对PM2.5造成的损伤起到一定的预防及治疗作用。然而现有的对PM2.5致病机制的探索并不全面，相关药物的研发也受到一定的局限，亟待更深层次研究来探讨各个猜想之间的相关性，为防治PM2.5所致呼吸系统疾病提供更有力的理论依据。