錢帥偉　張瑞萍　張安民

(煙臺(tái)大學(xué)體育學(xué)院，山東　煙臺(tái)　264005)

運(yùn)動(dòng)復(fù)合顆粒物污染影響呼吸系統(tǒng)健康的分子生理學(xué)機(jī)制

錢帥偉張瑞萍張安民

(煙臺(tái)大學(xué)體育學(xué)院，山東煙臺(tái)264005)

〔關(guān)鍵詞〕顆粒物；呼吸系統(tǒng)；氧化應(yīng)激；炎癥反應(yīng)；運(yùn)動(dòng)；健康效應(yīng)

目前，顆粒物污染的健康效應(yīng)日益成為政府和社會(huì)各界關(guān)注的焦點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)是增進(jìn)健康最積極、最經(jīng)濟(jì)的一種手段〔1〕。 一般來說，隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的增大和持續(xù)時(shí)間的延長，呼吸頻率加快，肺通氣量增加，氣體擴(kuò)散能力增強(qiáng)，顆粒物吸入量也隨之增多。Daigle等〔2〕研究也發(fā)現(xiàn)，中等強(qiáng)度自行車運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于每分通氣量的增加，顆粒物肺沉積量是靜息時(shí)的4.5倍。因此，與靜息暴露者相比，運(yùn)動(dòng)參與者顆粒物吸入量相對增多。近期，Huang等〔3〕通過比較城市公交車、出租車和自行車等不同出行方式到達(dá)同一目的地時(shí)健康受試者的細(xì)顆粒物總暴露量，發(fā)現(xiàn)乘出租車時(shí)暴露量最少，而騎自行車時(shí)暴露量最多；并認(rèn)為，由于自行車出行是一種中等強(qiáng)度的有氧運(yùn)動(dòng)，受試者呼吸頻率遠(yuǎn)高于坐公交車和乘出租車，且行駛相同距離時(shí)暴露時(shí)間更長，細(xì)顆粒物吸入量也最多，故自行車出行可能具有較高的健康風(fēng)險(xiǎn)。本文旨在梳理運(yùn)動(dòng)與顆粒物污染對呼吸系統(tǒng)的相關(guān)研究，以期闡釋其影響呼吸系統(tǒng)健康的具體機(jī)制。

1顆粒物污染

顆粒物是懸浮在空氣中的固體顆?；蛞旱?。根據(jù)其空氣動(dòng)力學(xué)粒徑，可分為總懸浮顆粒和可吸入顆粒。其中，可吸入顆粒中空氣動(dòng)力學(xué)粒徑≤2.5 μm的細(xì)顆粒，因其粒徑小、比表面積大，易吸附重金屬和大量有毒有害物質(zhì)，并可經(jīng)呼吸道進(jìn)入肺深處及血液循環(huán)，引起系統(tǒng)性氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致健康流失〔4〕。細(xì)顆粒家族中的超細(xì)顆粒(粒徑≤0.1 μm)，因其粒徑更小，更容易廣泛作用于全身組織器官，對健康的危害也更大〔5〕。但由于目前國內(nèi)外尚未針對其制定相應(yīng)的環(huán)境水準(zhǔn)，其污染特征和健康損害效應(yīng)還知之甚少。細(xì)顆粒物仍然是目前的研究重點(diǎn)。

顆粒物污染不僅能降低大氣能見度，造成霧霾天氣，對交通安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，還能嚴(yán)重影響空氣環(huán)境質(zhì)量，損害暴露者的生命質(zhì)量和健康水平。顆粒物表面吸附大量有機(jī)污染物和重金屬，可使暴露者遺傳物質(zhì)受損，致畸、致癌、致突變率顯著增加〔6〕。顆粒物還可引起系統(tǒng)性氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)，對全身組織、器官、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能造成嚴(yán)重?fù)p害，并能顯著增加慢性阻塞性肺炎、支氣管炎、哮喘、心肌梗死、腦卒中、動(dòng)脈硬化、Ⅱ型糖尿病、阿爾茨海默病(AD)、帕金森綜合征(PD)、多發(fā)性硬化癥(MS)等多種慢性疾病的發(fā)病率和死亡率〔1,5〕。但由于顆粒物主要組分、暴露濃度、暴露時(shí)間、個(gè)體差異等因素的多樣性和復(fù)雜性，顆粒物對不同人群的健康損害效果也不盡不同。

2運(yùn)動(dòng)結(jié)合顆粒物污染對呼吸系統(tǒng)的健康效應(yīng)

2.1肺功能目前有關(guān)顆粒物污染影響肺功能的研究主要表現(xiàn)為交通相關(guān)顆粒物暴露時(shí)肺功能的變化。通過對長期居住在交通高密集區(qū)10～18歲青少年的研究發(fā)現(xiàn)，在其接近18歲時(shí)，1 s用力呼氣量(FEV1)降低近4.9倍，肺功能顯著降低〔7〕。長期居住在離交通密集區(qū)500 m的兒童與1 500 m的兒童相比，肺功能明顯衰退〔8〕。Kan等〔9〕研究發(fā)現(xiàn)，交通相關(guān)顆粒物長期暴露的中年人FEV1和用力肺活量(FVC)均顯著降低，肺功能嚴(yán)重受損。這些研究表明，顆粒物長期暴露可嚴(yán)重?fù)p害肺功能。

目前有關(guān)運(yùn)動(dòng)和顆粒物污染影響肺功能變化的研究主要集中于一次不同形式的運(yùn)動(dòng)。通過比較哮喘患者在城市交通高密集區(qū)和空氣清新的公園步行2 h后的肺功能變化，發(fā)現(xiàn)前者FVC降低5.4%，F(xiàn)EV1降低6.1%，而后者肺功能未有顯著變化〔10〕。Zhang等〔11〕研究發(fā)現(xiàn)，哮喘患者在交通繁忙區(qū)步行2 h后，F(xiàn)EV1、FVC分別降低3.0%～4.1%、2.8%～3.7%，并伴有痰液中性粒細(xì)胞增多和髓過氧物酶活性增強(qiáng)。這兩項(xiàng)研究表明，呼吸系統(tǒng)疾病患者在顆粒物污染下進(jìn)行急性有氧運(yùn)動(dòng)可導(dǎo)致肺功能顯著下降。

顆粒物急性暴露后，再進(jìn)行一次運(yùn)動(dòng)可否引起肺功能變化也是亟需探討的問題。Flouris等〔12〕研究表明，健康受試者顆粒物急性暴露3 h后，血液白細(xì)胞介素(IL)-4、IL-5、IL-6、干擾素(IFN)-γ、腫瘤壞死因子(TNF)-α、核轉(zhuǎn)錄因子(NF-κB)等因子濃度升高，在進(jìn)行亞極量或極量運(yùn)動(dòng)時(shí)FEV1/FVC、FEV1下降，提示肺功能降低與免疫功能失調(diào)有關(guān)。也有研究表明，顆粒急性暴露60 min后，再進(jìn)行一次20 km的自行車運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)心率增加，肺功能顯著降低〔13〕。這說明，顆粒物急性暴露后，再進(jìn)行一次極量或亞計(jì)量運(yùn)動(dòng)均可降低肺功能。

對于冰上項(xiàng)目來說，冰場制冰機(jī)工作可釋放大量尾氣，使室內(nèi)顆粒物濃度比室外高30倍，訓(xùn)練超過2年可使FEV1降低11%，用力呼氣中期流速(FEF25～75)降低22%。提示，慢性顆粒物污染可使冰上項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員肺功能降低。該研究還發(fā)現(xiàn)，在顆粒物污染的冰場進(jìn)行一次6 min急性滑冰運(yùn)動(dòng)可使FVC、FEV1、FEF25～75分別下降12%、15%、28%，肺功能降低〔14〕。

但以上研究在檢測肺功能變化時(shí)并未建立顆粒濃度模型。Rundell等〔15〕通過研究不同濃度顆粒物污染下跑步運(yùn)動(dòng)(30 min、85%～90%最大心率)的肺功能變化，發(fā)現(xiàn)只有高濃度顆粒物污染下跑步時(shí)才出現(xiàn)FEV1、FEF25-75的顯著下降，并證實(shí)這與脂質(zhì)過氧化損傷有關(guān)。因此，建立顆粒物不同濃度的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂赡芨芊从撤喂δ茏兓闆r。

顆粒物污染下/后進(jìn)行一次不同形式運(yùn)動(dòng)均可使肺功能降低，這可能與氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)有關(guān)。但目前尚缺少顆粒物污染下進(jìn)行長期耐力運(yùn)動(dòng)影響肺功能的相關(guān)報(bào)道。

2.2肺病理性改變顆粒物及其攜帶的毒性成分可刺激肺泡巨噬細(xì)胞和肺上皮細(xì)胞，通過誘導(dǎo)血小板生長因子(PDGF)和轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)-β的激活，促進(jìn)肺上皮和間質(zhì)增生，使氣道壁纖維組織增厚，導(dǎo)致肺纖維化〔16〕。顆粒物污染還能引起肺ROS和炎性因子異常釋放，引起細(xì)胞周期改變和氧化損傷，甚至對DNA、RNA等遺傳物質(zhì)造成不可逆性損害。近期研究表明，細(xì)顆粒物可使肺上皮細(xì)胞LDH、ROS水平上升，SOD、CAT活性降低，并可增強(qiáng)Bax、Caspase-9、Caspase-7、Caspase-3、PARP的蛋白表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞損傷和凋亡〔17〕。這說明，顆粒物污染可通過氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)誘導(dǎo)肺病理改變。

盡管顆粒物污染可誘導(dǎo)肺病理性改變，但若在顆粒物污染之前預(yù)先進(jìn)行長期耐力運(yùn)動(dòng)似乎可減緩其所致的肺病理性重塑。近期有研究發(fā)現(xiàn)，小鼠進(jìn)行4 w耐力性游泳運(yùn)動(dòng)(15 min、5次/w)后，再進(jìn)行急性顆粒物暴露1 h發(fā)現(xiàn)，預(yù)游泳運(yùn)動(dòng)可部分降低肺TGF-β、IL-1β的表達(dá)，減少中性粒細(xì)胞產(chǎn)生，抑制炎癥反應(yīng)，減少膠原沉積〔18〕。這說明，預(yù)耐力運(yùn)動(dòng)可抑制急性顆粒物污染所致的肺病理性損傷。另有研究表明，小鼠進(jìn)行8 w預(yù)有氧跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)(8 m/min、30 min、2次/d)可顯著抑制慢性顆粒物污染所致的肺泡毛細(xì)血管通透性增加和炎性細(xì)胞浸潤，阻遏粘蛋白2、細(xì)胞因子、趨化因子、黏附分子的增多，減弱NF-κB活性，降低炎性水平〔19〕。提示，預(yù)耐力運(yùn)動(dòng)也可抑制慢性顆粒物污染所致的肺病理性改變。Toledo等〔20〕進(jìn)一步優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)方案，通過建立中等強(qiáng)度跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)模型(先預(yù)運(yùn)動(dòng)60 min，再顆粒物污染30 min、5次/w、24 w)，發(fā)現(xiàn)預(yù)耐力運(yùn)動(dòng)可適度降低小鼠肺ROS和8-異構(gòu)前列腺素水平，抑制IL-10、TIMP1、CuZn-SOD、GSH表達(dá)的降低，減輕炎癥反應(yīng)。以上研究表明，規(guī)律性預(yù)運(yùn)動(dòng)可適度抑制急、慢性顆粒物污染所致的肺病理改變。

與上述研究不同的是，有學(xué)者建立預(yù)先進(jìn)行顆粒物污染、再進(jìn)行耐力運(yùn)動(dòng)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，從而探知耐力運(yùn)動(dòng)可否抑制顆粒物預(yù)暴露所致的肺病理改變。該研究認(rèn)為，盡管顆粒物慢性預(yù)暴露可使小鼠肺泡巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞數(shù)量增加，膠原異常沉積，但隨后再進(jìn)行8 w耐力性游泳運(yùn)動(dòng)(60 min、5次/w)卻可顯著降低自由基產(chǎn)生，增強(qiáng)SOD、CAT等抗氧化酶活性，適度改善(但不能逆轉(zhuǎn))脂質(zhì)和蛋白質(zhì)氧化損傷〔21〕。這表明，耐力運(yùn)動(dòng)也可改善顆粒物預(yù)暴露所致的肺病理改變。

規(guī)律性預(yù)運(yùn)動(dòng)可顯著抑制顆粒物污染所致的肺氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)，抑制肺病理改變；顆粒物預(yù)暴露可致肺病理性重塑，但隨后進(jìn)行規(guī)律性運(yùn)動(dòng)卻可提高內(nèi)源性抗氧化酶活性，增強(qiáng)免疫功能，改善肺病理性改變。目前尚缺少顆粒物污染下進(jìn)行不同形式運(yùn)動(dòng)時(shí)肺病理性改變的相關(guān)報(bào)道。

2.3運(yùn)動(dòng)能力顆粒物污染不僅能引起肺氧化損傷和炎性損傷，導(dǎo)致氧運(yùn)輸能力下降，肺功能降低，還能使血管內(nèi)皮舒張功能障礙，血管僵硬度提高，血管功能受損，血流量降低，這些均是導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)能力降低的重要原因。有研究發(fā)現(xiàn)，在交通高污染區(qū)進(jìn)行一次庫伯測試(12 min跑)，發(fā)現(xiàn)VO2max、紅細(xì)胞數(shù)目、血紅蛋白含量和紅細(xì)胞比容均顯著降低，血乳酸水平和白細(xì)胞數(shù)目升高，最大運(yùn)動(dòng)距離縮短〔22〕。提示顆粒物污染下進(jìn)行亞極量運(yùn)動(dòng)可降低運(yùn)動(dòng)能力，這與氧運(yùn)輸能力和肺功能降低有關(guān)。Yu等〔23〕通過對居住在交通高污染區(qū)的中學(xué)生進(jìn)行一次多級體能測試時(shí)，發(fā)現(xiàn)VO2max下降1.99%，運(yùn)動(dòng)能力降低。Rundell等〔24〕研究表明，健康男性在顆粒物污染下分別進(jìn)行兩次6 min極力功率自行車測試，且兩次測試間隔3 d，發(fā)現(xiàn)首次測試運(yùn)動(dòng)能力未發(fā)生變化，但末次測試卻顯著降低，并認(rèn)為這與首次測試引起的免疫失調(diào)有關(guān)。Cutrufello等〔25〕改良了上述實(shí)驗(yàn)方案，即每次6 min極力功率自行車測試前在同種暴露環(huán)境中均進(jìn)行一次亞極量運(yùn)動(dòng)(20 min，60%最大心率)，發(fā)現(xiàn)兩次測試均可降低運(yùn)動(dòng)能力，認(rèn)為這與該亞極量運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的免疫失調(diào)有關(guān)。以上研究表明，顆粒物污染下進(jìn)行一次極量或亞極量運(yùn)動(dòng)均可降低運(yùn)動(dòng)能力，這可能與氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)引起的病理性改變有關(guān)。

3小結(jié)

綜上所述，目前有關(guān)運(yùn)動(dòng)與顆粒物污染影響呼吸系統(tǒng)的諸多研究表明，顆粒物污染下進(jìn)行一次不同形式運(yùn)動(dòng)均可對呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重負(fù)面效應(yīng)，導(dǎo)致健康流失，這可能與氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)激活有關(guān)。而與之不同的是，規(guī)律性預(yù)運(yùn)動(dòng)卻可通過增強(qiáng)內(nèi)源性抗氧化系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)的功能，抑制顆粒物污染對呼吸系統(tǒng)的負(fù)面健康效應(yīng)〔18～20〕；顆粒物預(yù)暴露可導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)的健康效應(yīng)流失，但隨后進(jìn)行規(guī)律性運(yùn)動(dòng)可適度抑制其過度損傷〔21〕。盡管目前多數(shù)研究認(rèn)為顆粒物污染下進(jìn)行不同形式運(yùn)動(dòng)可對呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面效應(yīng)，但最近Vieira等〔26〕通過建立50%最大跑速運(yùn)動(dòng)(60 min/次、5次/w、5 w)結(jié)合顆粒物慢性污染動(dòng)物模型，發(fā)現(xiàn)顆粒物慢性污染下進(jìn)行耐力性有氧運(yùn)動(dòng)可顯著降低顆粒物所致的肺氧化應(yīng)激、炎癥反應(yīng)和膠原沉積。其機(jī)制為，耐力性有氧運(yùn)動(dòng)通過抑制肺ROS和RNS的釋放，抑制氧化應(yīng)激；通過降低肺IL-1β、TNF-α、IL-6、角蛋白趨化因子(KC)等細(xì)胞因子釋放，減輕炎性損傷，減少膠原過度沉積，抑制肺病理性改變〔26〕。這似乎表明，運(yùn)動(dòng)促進(jìn)呼吸系統(tǒng)健康與顆粒物污染危害健康效應(yīng)之間可能存在一個(gè)的平衡點(diǎn)：當(dāng)顆粒物濃度較低或暴露時(shí)間較短時(shí)，運(yùn)動(dòng)可平衡、抑制和延緩顆粒物所致的健康流失；當(dāng)顆粒物濃度較高或暴露時(shí)間較長，或運(yùn)動(dòng)不足于拮抗顆粒物的負(fù)面健康效應(yīng)時(shí)，顆粒物可造成嚴(yán)重的健康流失。因此，探討運(yùn)動(dòng)抵抗顆粒物污染對呼吸系統(tǒng)健康效應(yīng)的相關(guān)機(jī)制可能顯得更加重要，這將為公眾科學(xué)合理地規(guī)劃戶外運(yùn)動(dòng)和出行提供新的理論參考。

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〔2015-07-08修回〕

(編輯曲莉)

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31050009)；山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2014CP025)

通訊作者：張安民(1959-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)研究。

〔中圖分類號〕R339.4

〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕A

〔文章編號〕1005-9202(2016)10-2535-04；

doi：10.3969/j.issn.1005-9202.2016.10.107

第一作者：錢帥偉(1984-)，男，講師，在讀博士，主要從事運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)研究。