李佳琳 車春莉

哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院呼吸內(nèi)科150010

COPD 是由于吸入有毒顆?；驓怏w導(dǎo)致的氣道和肺泡異常，引起的持續(xù)性呼吸道癥狀和氣流受限的疾病。除吸煙外，空氣污染、生物燃料等也被認(rèn)為是COPD 重要的致病因素。COPD 被預(yù)測(cè)將在2030年成為全球第3位死因，是未來(lái)危害人類健康的重要疾病[1]。細(xì)顆粒物 (fine particulate matter，PM2.5)指環(huán)境空氣中動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑≤2.5μm 的顆粒物，也稱可吸入顆粒物。其比表面積比較大，成分復(fù)雜，除含有嚴(yán)重危害健康的二氧化硅外，非常容易吸附多環(huán)芳烴、重金屬、病原體等，對(duì)人體健康產(chǎn)生較大的危害。流行病學(xué)研究表明，大氣PM2.5暴露顯著增加COPD 患病風(fēng)險(xiǎn)[2]，并明顯增加COPD 患者的急性發(fā)作[3]。鑒于大氣PM2.5暴露是COPD 發(fā)病的重要危險(xiǎn)因素，因此研究PM2.5及其附著成分在COPD 發(fā)病中的作用機(jī)制就顯得尤為重要，本文就目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于PM2.5附著成分在COPD 發(fā)生、發(fā)展作用機(jī)制的研究進(jìn)展作一綜述。

1 大氣顆粒物中多環(huán)芳烴 (polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs)在COPD發(fā)病中的作用

肺上皮屏障是抵抗PM2.5侵襲的第一道防線，它由氣道上皮細(xì)胞構(gòu)成，通過(guò)細(xì)胞間的緊密連接來(lái)阻止吸入的外源性物質(zhì)進(jìn)入組織內(nèi)。緊密連接蛋白密封細(xì)胞旁路以形成封閉小帶的基本結(jié)構(gòu)[4]，但接受各種刺激的緊密連接蛋白易發(fā)生表達(dá)改變，從而導(dǎo)致封閉小帶不完整，肺上皮屏障因而受損，肺泡通透性發(fā)生改變并增加了肺損傷的易感性。有研究表明PM2.5中的有機(jī)提取物可能通過(guò)破壞緊密連接蛋白造成肺黏膜屏障損傷，且研究還表明細(xì)胞膜完整性的破壞與細(xì)胞接觸高劑量PM2.5有機(jī)提取物引起的細(xì)胞凋亡相關(guān)，而上皮細(xì)胞凋亡被認(rèn)為是上皮屏障功能障礙的主要原因，因此認(rèn)為PM2.5附著的有機(jī)成分是誘導(dǎo)肺上皮屏障功能障礙的主要因素[5]。在PM2.5的有機(jī)成分中，PAHs由于能夠引起慢性肺炎、肺泡組織增生和支氣管黏膜破壞而備受關(guān)注。

1.1 PAHs引起氧化應(yīng)激在COPD 發(fā)病中的作用 現(xiàn)研究認(rèn)為COPD 的主要發(fā)病機(jī)制是氧化與抗氧化失衡，氧化應(yīng)激在其發(fā)病過(guò)程中發(fā)揮了重要作用[6]?，F(xiàn)有研究表明PAHs通過(guò)芳烴受體 (aryl hydrocarbon receptor，AhR)解耦聯(lián)誘導(dǎo)細(xì)胞色素P4501A1的催化循環(huán)以誘導(dǎo)人體的氧化應(yīng)激[7]。Lin等[8]在一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)暴露于PM2.5有機(jī)提取物的細(xì)胞中血紅素加氧酶1 (heme oxygenase 1，HO-1)活性較高，HO-1是一種氧化應(yīng)激的誘導(dǎo)酶，證明了PM2.5有機(jī)提取物誘導(dǎo)更高的細(xì)胞內(nèi)活性氧 (reactive oxygen species，ROS)水平?，F(xiàn)研究常用來(lái)評(píng)價(jià)人體氧化應(yīng)激水平 的 指 標(biāo) 是 8-羥 基 脫 氧 鳥(niǎo) 苷 (8-hydroxy-2′-deoxyguanosine，8-OHdG)和 丙 二 醛 (malondialdehyde，MDA)，前者代表DNA 氧化損傷程度[9]，目前多項(xiàng)研究中的PM2.5與尿樣中的8-OHd G 呈負(fù)相關(guān)，研究認(rèn)為這可能并不代表污染物的暴露減少了DNA 的氧化損傷，而認(rèn)為8-OHd G 可能反映的是污染物的暴露降低了機(jī)體DNA 的損傷修復(fù)能力[10-11]，而后者代表脂質(zhì)過(guò)氧化水平[12]。Bae等[13]通過(guò)尿1-羥基芘評(píng)估PAHs暴露，結(jié)果顯示尿1-羥基芘水平與尿MDA 水平呈正相關(guān)，Lin等[14]研究中也發(fā)現(xiàn)了PAHs與MDA 存在顯著關(guān)聯(lián)，以上研究結(jié)果更直接證實(shí)PAHs的暴露可引起機(jī)體氧化應(yīng)激損傷。Yang等[5]在研究中觀察到當(dāng)暴露于高劑量PM2.5有機(jī)提取物時(shí)，可觀測(cè)到廣泛的DNA 鏈斷裂，低劑量PM2.5有機(jī)提取物暴露有顯著的DNA 損傷，這可能是當(dāng)暴露于PM2.5有機(jī)提取物導(dǎo)致大量的ROS形成，發(fā)生氧化應(yīng)激，加之DNA 損傷修復(fù)能力減弱，從而造成對(duì)DNA 氧化損傷[15]。而氧化應(yīng)激造成的脂質(zhì)過(guò)氧化、DNA 損傷及修復(fù)能力減弱均可促進(jìn)COPD 的發(fā)生。

1.2 PAHs通過(guò)Ah R 在COPD 發(fā)病中的作用 現(xiàn)認(rèn)為PAHs是通過(guò)AhR 依賴性機(jī)制在COPD 的發(fā)病機(jī)制中起主要作用。PAHs 與AhR 的相互作用和隨后的細(xì)胞色素P4501A1的活化顯著促進(jìn)ROS水平，過(guò)量的ROS水平通過(guò)激活促進(jìn)促炎細(xì)胞因子合成的轉(zhuǎn)錄因子引發(fā)炎癥反應(yīng)，這些細(xì)胞因子可以增強(qiáng)局部和全身炎癥反應(yīng)，并導(dǎo)致COPD。而目前研究認(rèn)為IL-17A 是COPD 的發(fā)生、發(fā)展中重要的細(xì)胞因子。IL-17A 是由T 細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞因子，能夠起到宿主防御細(xì)菌和真菌感染的作用，在動(dòng)物模型[16-17]和人類受試者[18]的研究結(jié)果顯示空氣污染物可以促進(jìn)肺中IL-17的表達(dá)，其認(rèn)為是PM2.5中的PAHs通過(guò)Ah R 依賴性方式來(lái)增強(qiáng)Th17 細(xì)胞分化，從而加劇氣道疾病的嚴(yán)重程度。而目前關(guān)于Ah R 作為環(huán)境信號(hào)傳感器的作用理論研究可以概括如下[19]：當(dāng)個(gè)體暴露于PM2.5時(shí)，黏膜防御機(jī)制發(fā)生改變，使宿主病理感染的風(fēng)險(xiǎn)增加。當(dāng)存在PAHs高水平暴露時(shí)，Ah R 被激活，造成Th17細(xì)胞分化增強(qiáng)以抵抗細(xì)菌損傷和細(xì)胞色素P450酶的上調(diào)來(lái)代謝有害物質(zhì)。同時(shí)機(jī)體免疫細(xì)胞分泌IL-22，其作用于局部上皮細(xì)胞并引起上皮細(xì)胞穩(wěn)態(tài)變化，導(dǎo)致抗微生物肽的產(chǎn)生[20]。其本質(zhì)最初為保護(hù)性防御，但持續(xù)的毒性接觸導(dǎo)致了炎癥、纖維化和終末器官的損傷，從而導(dǎo)致COPD 的發(fā)生、發(fā)展。

1.3 PM2.5有機(jī)提取物通過(guò)α1-抗胰蛋白酶在COPD 發(fā)病中的作用 蛋白酶與抗蛋白酶之間的失衡也是COPD 形成的重要機(jī)制。人體中存在多種可以破壞肺部結(jié)構(gòu)的彈性蛋白酶，其可分解肺間質(zhì)連接蛋白，從而造成COPD 的發(fā)生，而滅活彈性蛋白的主要物質(zhì)則是抗胰蛋白酶1?，F(xiàn)研究認(rèn)為COPD 的發(fā)生、發(fā)展可能正是抗胰蛋白酶1的氧化造成的，在Yang等[5]的研究中觀察到，當(dāng)暴露于PM2.5有機(jī)提取物時(shí)COPD 中α1-抗胰蛋白酶水平在細(xì)胞中顯著降低，氧化型α1-抗胰蛋白酶的水平顯著增加。因此，認(rèn)為PM2.5有機(jī)提取物造成了α1-抗胰蛋白酶氧化，導(dǎo)致其水平顯著降低，并且影響其正常功能，α1-抗胰蛋白酶不能有效抑制中性粒細(xì)胞彈性蛋白酶，過(guò)量的細(xì)胞彈性蛋白酶會(huì)加速肺實(shí)質(zhì)中彈性蛋白的降解，導(dǎo)致COPD 風(fēng)險(xiǎn)增加。

2 大氣PM2.5中重金屬在COPD發(fā)病中的作用

PM2.5中的無(wú)機(jī)元素主要有鋅 (Zn)、錳 (Mn)、鐵(Fe)、鎳 (Ni)、鉛 (Pb)、鉻 (Cr)等重金屬元素和鉀、鈣、硫等元素，重金屬被認(rèn)為是城市空氣顆粒物中的有毒成分，其能夠誘發(fā)細(xì)胞的氧化應(yīng)激反應(yīng)和炎癥反應(yīng)，使細(xì)胞膜通透性增加，促使細(xì)胞產(chǎn)生氧自由基，進(jìn)而造成細(xì)胞產(chǎn)生氧化損傷、DNA 損傷和炎性損傷。整個(gè)重金屬組分可占顆粒物質(zhì)量濃度的0.3%～5.0%[21]，雖然在顆粒物中檢測(cè)到相對(duì)較低的金屬含量，但研究結(jié)果表明，PM2.5中重金屬的影響不容忽視和低估。

Lippmann[22]研究發(fā)現(xiàn)PM2.5中的金屬成分與人的健康有良好的相關(guān)性。Yuan等[23]用螯合樹(shù)脂去除PM2.5中大部分金屬離子污染物，而不會(huì)影響非金屬成分的情況下，細(xì)胞存活率從 (47.7±5.2)%增加至 (60.1±5.8)%。Heo等[24]研究發(fā)現(xiàn)，去除金屬離子后，ROS和腫瘤壞死因子α的產(chǎn)生有所減少，分別是對(duì)照組的36%和23%。以上研究結(jié)果均體現(xiàn)了重金屬在大氣顆粒物質(zhì)中的毒性作用。

而在眾多金屬中Mn的毒性作用備受關(guān)注。Mn是哺乳動(dòng)物生長(zhǎng)和發(fā)育的必需元素，是線粒體氧化過(guò)程中重要的必需礦物質(zhì)，但當(dāng)Mn過(guò)度和長(zhǎng)期暴露會(huì)對(duì)肺功能有嚴(yán)重?fù)p害。有研究表明，過(guò)渡Mn暴露可降低兒童FVC，F(xiàn)VC和血液Mn濃度呈負(fù)相關(guān)?，F(xiàn)研究[25]認(rèn)為，Mn的神經(jīng)毒性機(jī)制如下：過(guò)度暴露Mn時(shí)，MDA 的大量產(chǎn)生導(dǎo)致呼吸道上皮細(xì)胞和肺上皮細(xì)胞中的蛋白質(zhì)分子氧化，從而造成氧化損傷，造成肺功能不可逆的損害。而一項(xiàng)更直接的研究中觀察到[26]，Mn與鎘 (Cd)的累積通過(guò)降低肺部囊性纖維化跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)節(jié)因子 (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator，CFTR)表達(dá)，參與COPD 的發(fā)病。CFTR 是一種氯離子通道，主要存在于氣道上皮細(xì)胞中，在調(diào)節(jié)氣道表面液體水合作用中起主要作用，其活化可防止肺內(nèi)黏液積聚[27]。當(dāng)CFTR 低表達(dá)時(shí)，導(dǎo)致氣道表面液體體積穩(wěn)態(tài)受損，使黏液積聚，細(xì)菌清除減少，從而造成肺部慢性感染和炎癥，參與COPD 的發(fā)生、發(fā)展。值得注意的是，多項(xiàng)研究顯示Mn可加劇組合中其他金屬的毒性作用。如用Mn+Fe[(34.2±6.7)%]處理的細(xì)胞比僅用Fe[(15.3±5.8)%]處理的細(xì)胞死亡率顯著升高[25]；Chandra等[28]研究發(fā)現(xiàn)，與單獨(dú)暴露于單金屬元素相比，共同接觸Mn和Pb可導(dǎo)致大鼠的腦重量更輕；Crossgrove和Zheng[29]也證明Mn毒性可能與其對(duì)Fe、Zn和Cu等必需金屬元素的影響有關(guān)。目前研究認(rèn)為這是因?yàn)镸n陽(yáng)離子擾亂了細(xì)胞膜的雙層結(jié)構(gòu)并增加其滲透性，導(dǎo)致其他有毒金屬的生物累積增加[30]。另外，Mn的毒性暴露破壞了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體的動(dòng)力學(xué)，其在分泌途徑中影響調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的合成[31]。因此，Mn可能通過(guò)影響重金屬解毒的蛋白質(zhì) (金屬硫蛋白)的合成來(lái)增加其他金屬的毒性[32]。這一研究發(fā)現(xiàn)提示金屬與金屬之間的相互作用不容忽視，因大氣顆粒正是由多種重金屬共同構(gòu)成，金屬元素可以影響另一種金屬元素的積累和分布，多金屬共同暴露之后會(huì)發(fā)生協(xié)同作用或拮抗作用，這一作用的效應(yīng)對(duì)于COPD 發(fā)病有待進(jìn)一步探索。

Zn是人體必需的微量元素，在人體中存在有效的機(jī)制使其可在廣泛的暴露范圍內(nèi)仍可維持體內(nèi)平衡。因此，Zn具有相對(duì)較低的毒性，目前通過(guò)Zn中毒對(duì)人類健康造成影響的事件相對(duì)較少。目前報(bào)道最多的由Zn中毒引起的呼吸道疾病是金屬煙霧熱，其是因吸入氧化鋅引起，主要通過(guò)在Zn冶煉或焊接等職業(yè)情況下吸入粒徑＜1μm 的新鮮金屬煙霧而發(fā)生[33]。通常在急性暴露幾小時(shí)后患者開(kāi)始出現(xiàn)發(fā)燒、肌肉酸痛、惡心、疲勞和呼吸系統(tǒng)影響，如胸痛、咳嗽和呼吸困難等。一般來(lái)說(shuō)，金屬煙霧熱不會(huì)危及生命，呼吸效應(yīng)會(huì)在1～4 d 內(nèi)消失。目前尚無(wú)Zn 的暴露與COPD疾病關(guān)系的相關(guān)報(bào)道，但是基于Zn的暴露增加呼吸道癥狀發(fā)生方面，可為日后探索Zn的暴露與肺部疾病的發(fā)生、發(fā)展提供可探討的證據(jù)。

Fe和Cu被認(rèn)為是Fenton反應(yīng)中的有效催化劑，并且形成的自由基對(duì)蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和DNA 造成傷害[34-35]。Cr和Pb是典型的有毒金屬，不僅與基本金屬競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白或輔因子結(jié)合位點(diǎn)，而且還導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激升高[36]。Yang等的研究中選擇了Zn、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、As、Se、Sr、Cd和Pb共11種重金屬用于實(shí)驗(yàn)，其中Fe、Mn、Cu、Pb、Cr和Zn顯著抑制細(xì)胞活力，其他5 種金屬Ni、As、Se、Sr和Cd盡管暴露于單一金屬后沒(méi)有不利影響，但可能在共同暴露時(shí)具有協(xié)同效應(yīng)，因而需要進(jìn)一步研究由這些金屬的單次或多次暴露引起的生物反應(yīng)。

研究認(rèn)為不同的金屬可能具有不同的靶位點(diǎn)、靶器官或作用模式，從而導(dǎo)致不同的毒性特征[37]。而PM2.5中的重金屬對(duì)肺上皮細(xì)胞的毒性影響可總結(jié)成以下機(jī)制：重金屬通過(guò)與蛋白質(zhì)的巰基結(jié)合來(lái)表達(dá)毒性；重金屬替換某些功能酶中的金屬離子，導(dǎo)致功能酶活性喪失；重金屬暴露催化活性氧的形成，導(dǎo)致氧化應(yīng)激，誘導(dǎo)DNA 損傷，蛋白質(zhì)修飾，脂質(zhì)過(guò)氧化等。

3 大氣PM 2.5中病原體在COPD發(fā)病中的作用

肺泡腔對(duì)于大多數(shù)細(xì)菌來(lái)說(shuō)生態(tài)環(huán)境是不利于繁殖的[38-39]。低繁殖的重要原因是肺泡內(nèi)除了富含脂質(zhì)的表面活性劑的細(xì)菌殺菌層外，缺乏細(xì)菌代謝的營(yíng)養(yǎng)底物。從細(xì)菌的角度來(lái)看，健康的肺泡是不適合生長(zhǎng)的。然而，在肺泡損傷狀態(tài)，例如ARDS或肺炎等，其內(nèi)環(huán)境條件突然轉(zhuǎn)變，會(huì)使先前空洞的肺泡充滿了富含蛋白質(zhì)的液體，為微生物提供了豐富能源。再加之殺菌表面活性劑層被滅活和黏液纖毛清除功能受損[40]，微生物清除速度減慢[41]，使肺部環(huán)境為微生物生長(zhǎng)提供了良好的內(nèi)環(huán)境。目前研究證明顆粒物暴露的加重會(huì)增加肺部微生物菌群多樣性，在Rylance等[42]實(shí)驗(yàn)亦證明高顆粒物暴露組中潛在致病菌奈瑟球菌和鏈球菌的豐度明顯升高。尚有研究表明肺部微生物的改變可能與不同的顆粒物暴露源相關(guān)。對(duì)于微生物在COPD中的作用，多認(rèn)為是吸入的顆粒物引起肺部的氧化應(yīng)激、微環(huán)境或局部免疫的變化，從而可能導(dǎo)致肺部菌群的失衡并且直接促進(jìn)COPD 的發(fā)病，而尚無(wú)研究探討大氣顆粒物附著的微生物成分與COPD 的相關(guān)性。

4 展望

基于已有文獻(xiàn)我們發(fā)現(xiàn)，PM2.5附著成分中各重金屬對(duì)COPD 發(fā)病的影響有待我們繼續(xù)探索，尤其是多金屬共同暴露之后發(fā)生的作用對(duì)COPD 的發(fā)生、發(fā)展有待進(jìn)一步明確。而大氣PM2.5附著成分微生物部分則留有更大的研究空白，探索PM2.5所攜帶病原體是否參與、哪部分菌群參與COPD 的發(fā)病與急性加重將成為日后研究的新方向。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突