趙云利，趙宇欣，何義勝，王元

（蚌埠醫(yī)學院公共衛(wèi)生學院，安徽 蚌埠 233030）

環(huán)境污染，已成為影響人類健康的重大環(huán)境問題，引起了世界的廣泛關注。顆粒物是大氣污染的主要成分，也是環(huán)境污染危害人類健康的重要原因。流行病學調(diào)查和毒理學實驗均證實大氣顆粒物可以帶來諸如心血管疾病、呼吸系統(tǒng)疾病等多種健康危害，尤其是與哮喘、肺炎、呼吸道炎癥等呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生高度相關。本文將大氣顆粒物對呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生危害的生理生化與分子機制進行了綜述。

1 氧化應激

氧化損傷通常被認為是顆粒物毒性效應的首要原因。當呼吸系統(tǒng)遭受顆粒物的刺激時，呼吸道上皮細胞產(chǎn)生活性氧，細胞內(nèi)氧化-抗氧化體系失衡，對細胞溶酶體、線粒體等細胞器產(chǎn)生損傷，導致細胞的生理生化及代謝功能障礙，最終導致呼吸系統(tǒng)疾病的產(chǎn)生或加重［1-3］。顆粒物致機體氧化-抗氧化體系失衡包含以下3個主要原因：顆粒物上附著的化學成分使得顆粒物本身具有自由基活性，如冬季燃燒顆粒物中的左旋葡聚糖、半乳聚糖和鉀等成分與其氧化能力緊密相關［4］；顆粒物的刺激致使肺泡上皮細胞產(chǎn)生活性氧，誘導線粒體電子傳遞鏈復合物Ⅲ產(chǎn)生活性氧［1］；超氧化物歧化酶 SOD1、SOD2、過氧化氫酶（CAT）、過氧化還原酶6（PRDX6）等抗氧化酶活性改變［2］，細胞凋亡信號調(diào)節(jié)激酶1（ASK1）及c-Jun氨基末端激酶（JNK）信號通路被激活［1］，機體抗氧化能力及氧化防御功能降低。

顆粒物暴露可以使人肺上皮細胞A549的SOD和CAT活性發(fā)生改變［5］，燃燒顆粒物可使大鼠抗氧化酶（SOD1、SOD2、CAT、PRDX6）和核轉(zhuǎn)錄因子Nrf2的活性明顯上升［2］。PM2.5誘導產(chǎn)生的活性氧可能作為信號分子，通過磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B（PI3K/AKT）激活氧化應激的關鍵信號通路Nrf2來防御氧化應激損傷［6］。PM2.5暴露促使Nrf2從細胞質(zhì)向核內(nèi)轉(zhuǎn)移，誘導AKT磷酸化和NAD（P）H：醌氧化還原酶（NQO-1）、血紅素加氧酶1（HO-1）、谷氨酸-半胱氨酸連接酶催化亞基（GCLC）的轉(zhuǎn)錄表達［6］。但PI3K抑制劑可以顯著下調(diào)PM2.5誘導的Nrf2核質(zhì)轉(zhuǎn)移及HO-1的轉(zhuǎn)錄水平［6］。顆粒物可誘導肺泡上皮細胞線粒體電子傳遞鏈復合物Ⅲ產(chǎn)生活性氧，激活ASK1及JNK信號通路，增加肺泡-毛細血管屏障的通透性［1］。Song等［7］研究發(fā)現(xiàn)，miRNA Let-7水平的顯著下調(diào)及其靶基因精氨酸酶2（ARG2）的表達上調(diào)是支氣管上皮細胞在PM2.5暴露后誘導的氧化損傷和細胞凋亡的內(nèi)在分子機制。

2 炎癥反應

顆粒物對呼吸道上皮細胞的炎癥刺激反應可能是氧化應激引發(fā)的后續(xù)級聯(lián)反應［8］。顆粒物暴露可促進肺泡及支氣管上皮細胞分泌白細胞介素 IL-6、IL-8、IL-Iβ 和腫瘤壞死因子-α（TNF-α）等炎癥因子和細胞因子［9-11］，上調(diào)免疫活性因子NF-κB［12］，促進炎癥細胞浸潤從而對呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生危害。這些炎癥因子與胞外基質(zhì)共同調(diào)節(jié)著顆粒物導致的組織修復和炎癥反應［13］。

氣管滴注顆粒物后大鼠肺組織出現(xiàn)炎癥細胞浸潤和充血，支氣管肺泡灌洗液中炎癥細胞數(shù)量增加；TNF-α、IL-1、IL-1β和細胞間黏附分子1（ICAM-1）等炎癥介質(zhì)顯著上調(diào)，SOD和丙二醛（MDA）含量增加，同時誘導型一氧化氮合酶（NOS2A）、一氧化氮、細胞色素氧化酶、谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶等活性物質(zhì)的含量也明顯上升［9-11］。松木粉塵暴露還可引起大鼠肺泡灌洗液嗜酸性粒細胞、T淋巴細胞以及肥大細胞增多［14］。在氣管滴注顆粒物的小鼠中也發(fā)現(xiàn)了類似結(jié)果：博來霉素誘導的肺纖維化小鼠暴露于PM2.5中可導致肺組織炎性細胞浸潤程度明顯加重，肺泡間隔變寬，肺纖維化明顯加重，肺泡灌洗液中IL-6和TNF-α水平顯著增高［15］；PM2.5暴露還可導致肺氣道黏膜嗜酸性粒細胞誘導性增強，支氣管上皮杯狀細胞增生，嗜酸性粒細胞相關細胞因子增加，支氣管肺泡灌洗液中趨化因子增加，F(xiàn)4/80（+）CD11b（+）細胞增加，且CD206陽性的F4/80（+）CD11b（+）細胞（M2巨噬細胞）比例增加［16］。Ramanathan 等［17］在 PM2.5暴露的小鼠鼻腔灌洗液中觀察到血清白蛋白含量顯著增加，黏附分子Claudin-1和上皮鈣黏蛋白的表達下降，嗜酸細胞性炎癥因子IL-13和Eotaxin-1的表達上調(diào)，嗜酸性粒細胞、巨噬細胞和中性粒細胞的明顯積聚。顆粒物暴露可顯著增加小鼠巨噬細胞和支氣管上皮細胞中炎癥因子（IL-1β、IL-8、TGF-β和環(huán)氧合酶-2）和氧化應激基因（HO-1）的表達水平［18-19］，還可激活絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）途徑和轉(zhuǎn)錄因子NF-κB信號通路誘導炎癥反應［12］。

3 免疫反應

顆粒物可對中性粒細胞產(chǎn)生刺激作用，提高機體特異性抗體水平，誘發(fā)哮喘等呼吸系統(tǒng)疾病。研究顯示，柴油廢氣顆粒物可降低肺巨噬細胞的存活率，使機體免疫應答水平降低［20］。顆粒物還可以導致機體內(nèi)CD3+、CD4+、CD8+T淋巴細胞及自然殺傷（NK）細胞減少，CD4/CD8比例下降，機體抵抗能力降低［21］。長期PM2.5暴露能引起小鼠輔助性T細胞17（Th17）/調(diào)節(jié)性T細胞（Treg細胞）及相關細胞因子失衡，免疫功能下降［22］。PM2.5還可激活CB17-SCID荷瘤小鼠肺泡巨噬細胞清除的功能，刺激呼吸系統(tǒng)分泌機體蛋白［23］。

Toll樣受體（TLR）能識別外源化學物，啟動天然免疫，在抗感染中發(fā)揮重要作用。大氣顆粒物可以激活TLR2和TLR4信號傳導途徑，并作為NOD樣受體家族炎性小體（NLRP3）的有效激活劑促進炎癥反應的發(fā)生［24］。Fuertes等［25］通過出生隊列研究分析揭示PM2.5濃度與過敏性鼻炎顯著相關，攜帶TLR4 rs1927911等位基因的兒童患過敏性鼻炎的風險增加。暴露于PM2.5的小鼠肺泡灌洗液中TLR4和TLR2的表達下調(diào)，NF-κB被激活，Th1/Th2偏移，進而驅(qū)動Th2型免疫應答，導致炎癥浸潤的產(chǎn)生［26-27］。

4 細胞鈣穩(wěn)態(tài)失衡

顆粒物誘導產(chǎn)生的自由基和炎癥反應可以導致細胞脂質(zhì)過氧化及胞內(nèi)Ca2+濃度的增加，而Ca2+濃度的增加又導致更多活性氧的產(chǎn)生，加重機體的氧化應激。顆粒物暴露大鼠肺泡灌洗液中堿性磷酸酶、表面活性物質(zhì)和上皮標志酶活性增加，細胞膜通透性增加以致Ca2+內(nèi)流、細胞內(nèi)Ca2+濃度增加［28］。支氣管上皮細胞的 Ca2+信號可被大氣顆粒物所介導，Ca2+通路抑制劑則可以減弱顆粒物誘導的Ca2+應答［10］。對人肺成纖維細胞的研究也證實，顆粒物可通過磷脂酶阻斷劑、瞬時受體電位（transient receptor potential，TRP）M亞家族成員TRPM2抑制劑等調(diào)節(jié)細胞膜通透性，改變細胞內(nèi)Ca2+信號傳導［29］。因此，當給予細胞TRPM2阻滯劑克霉唑（CLZ）與鄰氨基苯甲酸（ACA）時，顆粒物所致細胞氧化應激水平下降，細胞內(nèi)Ca2+信號衰減［29］。細胞局部Ca2+濃度的增加，還可使細胞內(nèi)鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶-活化T淋巴細胞核因子基因表達上調(diào)，誘發(fā)細胞免疫下降與凋亡［30］。

5 遺傳損傷

顆粒物可導致肺泡或支氣管上皮細胞發(fā)生DNA損傷，干擾肺組織細胞的核酸修復反應，引起遺傳毒性和細胞凋亡，誘導呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)生或加重。研究發(fā)現(xiàn)顆粒物通過直接作用于修復蛋白抑制DNA修復、降低DNA復制的保真度，提高DNA復制錯誤幾率和突變率［31］，使線粒體DNA拷貝數(shù)降低［3］，基因組DNA鏈斷裂［32］，微核增加［33］等途徑引起DNA表達、修復紊亂，最終導致遺傳損傷。彗星實驗分析顯示顆粒物上粘附的多環(huán)芳烴（PAH）和羥基類還可以使V79和人淋巴細胞產(chǎn)生移碼突變［34］。Mukherjee等［35］發(fā)現(xiàn)長期暴露于烹飪煙霧可以減少家庭主婦呼吸道上皮細胞的DNA錯配修復蛋白（MMR）同源物mutL1（MLH1）和 mutS 2（MSH2）的表達，增加了DNA錯配的可能。

除直接對DNA產(chǎn)生損傷外，顆粒物吸附的物質(zhì)還可以與DNA結(jié)合形成加合物，干擾DNA的正常功能。Rossner等［36］用P32標記的方法對外周血淋巴細胞DNA加合物進行檢測，結(jié)果提示空氣重污染地區(qū)顆粒物暴露人群的外周血苯并［a］芘（B［a］P）樣DNA加合物的水平均明顯升高。工業(yè)區(qū)大氣顆粒物可以引起肺泡巨噬細胞產(chǎn)生DNA加合物從而誘導肺癌的產(chǎn)生［37］。柴油機顆粒排放物上吸附的B［a］P和5-甲基青烯（5-MeCHR）等多環(huán)芳烴（PAH）能與DNA的親核位點鳥嘌呤外環(huán)氨基酸以共價鍵結(jié)合形成PAH-DNA加合物，引起DNA損傷［38］。

6 自噬

顆粒物可以被人支氣管上皮細胞所吞噬，被吞噬的顆粒形成自噬內(nèi)含體進而形成自噬體，誘導自噬的發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)，隨著顆粒物暴露濃度的增加和時間的延長，A549細胞微管蛋白輕鏈LC3的含量逐漸上升，表明顆粒物可誘導自噬的發(fā)生，并且自噬相關基因Atg5和Beclin1的表達明顯上調(diào)［5］。Xu 等［39］發(fā)現(xiàn)在人支氣管上皮細胞BEAS-2B中，PM2.5暴露可以激活腫瘤蛋白P53，上調(diào)其下游靶基因DNA損傷自噬調(diào)節(jié)因子1（DRAM1）的表達進而誘導自噬的發(fā)生，進而激活支氣管上皮細胞中的Src-STAT3通路介導VEGFA上調(diào)；此外，PM2.5暴露還可誘導絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶ATR-CHEK1/CHK1（檢測點激酶1）軸的激活，進一步引發(fā)P53依賴性自噬。自噬在顆粒物誘導的炎癥和黏液過度生成中發(fā)揮關鍵作用，沉默小鼠自噬相關基因Becn1或Lc3b可以降低顆粒物暴露導致的氣管分泌物的過度產(chǎn)生及炎癥的發(fā)生；而溶酶體抑制對自噬流的干擾可導致自噬體與自噬內(nèi)含體的積累，并加劇IL-8的產(chǎn)生，減弱氣道黏液蛋白（MUC5AC）的表達［40］。

7 表觀遺傳學改變

顆粒物暴露還可以導致甲基化、磷酸化、乙酰化等表觀遺傳學修飾，調(diào)節(jié)基因表達，影響呼吸系統(tǒng)疾病。顆粒物水平與慢性阻塞性肺疾?。–OPD）患者NOS2A的DNA甲基化水平和呼吸道炎癥水平相關［41］。呼出氣一氧化氮（FeNO）是氣道炎癥生物標志物，由氣道細胞產(chǎn)生，其濃度與炎癥細胞數(shù)目高度相關；FeNO水平又與NOS2A基因的甲基化水平密切相關［41］。De Prins等［42］以5-甲基-2'-脫氧胞苷的比例衡量人體全血DNA甲基化水平，研究結(jié)果提示成人DNA甲基化水平降低與環(huán)境PM2.5暴露水平相關。顆粒物暴露還可促進人支氣管上皮細胞中PI3K家族成員中的ATM、CHK2、組蛋白2A變異體（H2AX）磷酸化，導致DNA損傷，使端粒酶活性和miR-21表達上調(diào)，芳烴受體（AhR）調(diào)節(jié)基因（CYP1A1、CYP1B1、AhRR）的表達增加［32，43］。

組蛋白3第27位賴氨酸乙?；℉3K27ac）是參與免疫細胞活化的標記基因，H3K27ac的乙酰化水平與空氣污染引起的免疫和炎癥反應相關，Liu等［44］通過染色質(zhì)免疫共沉淀與二代測序技術(shù)相結(jié)合的ChIP-Seq技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，顆粒物暴露可以導致H3K27ac的乙?；癄顟B(tài)發(fā)生變化。組蛋白去乙?；?（HDAC3）是基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的重要調(diào)節(jié)因子，為炎癥調(diào)節(jié)相關信號所必需，PM2.5通過激活TGF-β/Smad信號通路誘導WT小鼠的肺功能損傷與炎癥反應；HDAC3缺陷可促進PM2.5誘導的TGF-β/Smad信號通路的激活［27］。

8 基因表達調(diào)控

顆粒物暴露可以改變促炎癥反應過程、氧化應激反應以及癌癥和發(fā)育途徑中相關基因的表達，共同應對來自外界的刺激。轉(zhuǎn)錄因子AP-1是細胞內(nèi)由c-Fos和c-Jun組成的異二聚體，通過調(diào)節(jié)基因的表達來應對多種刺激，氣管滴注高濃度顆粒物，大鼠肺組織c-fos和c-jun的表達顯著增高［9］，AP-1 的活性增強［40］。Libalova 等［45］對PM2.5暴露的A549細胞的基因表達分析結(jié)果顯示，PM2.5暴露可導致促炎癥反應過程、氧化應激反應以及癌癥和發(fā)育途徑中TGF-β和Wnt信號通路等相關基因的表達紊亂，但涉及細胞周期阻滯、DNA修復或細胞凋亡相關的基因表達則沒有發(fā)現(xiàn)異常。通過人胚肺成纖維細胞基因芯片分析顯示ABC轉(zhuǎn)運蛋白（參與外源性和內(nèi)源性代謝物跨膜轉(zhuǎn)移和DNA修復），Wnt和TGF-β信號傳導途徑（特別與腫瘤促進和進展相關），類固醇激素生物合成（參與化學物質(zhì)的內(nèi)分泌干擾活性）和甘油脂代謝（包括脂質(zhì)與脂質(zhì)信號分子的甘油骨架的脂質(zhì)途徑）相關基因表達明顯失調(diào)［46］。

9 細胞周期的改變

顆粒物通過DNA結(jié)合、線粒體和紡錘體等的損害引起染色體的過早濃縮，從而導致人類支氣管上皮細胞有絲分裂受阻，細胞增殖受到抑制，并導致細胞凋亡［32］。顆粒物還可以通過長鏈非編碼RNA（lncRNA）LINC0034調(diào)節(jié)P21蛋白的表達，使支氣管上皮細胞周期阻滯于G2/M期［47］。

此外，顆粒物還可降低機體對其它有害因素的抵抗力。如呼吸道表面的液體含有大量的抗菌蛋白和抗菌肽，而PM2.5與抗菌蛋白和抗菌肽的結(jié)合可以減弱其抗菌活性，使機體更容易受到病毒和細菌的侵害［48］。

呼吸系統(tǒng)疾病是大氣顆粒物對人體的主要危害之一，研究證實氧化應激、免疫應答、基因表達與調(diào)控等生理生化過程均參與對顆粒物的防御過程［49］。深入了解顆粒物對機體呼吸系統(tǒng)損傷的機制有助于我們預防顆粒物產(chǎn)生的呼吸系統(tǒng)危害，探索防治大氣顆粒物危害的有效方法和技術(shù)。