李 想 歐陽彥 綜述 謝靜遠 審校

空氣污染作為公共問題一直備受重視,全球每年超過300萬例的死亡以及7 600萬例的健康壽命損失與其密切相關[1-2]?？諝馕廴疚锇ǖ趸?、硫氧化物、一氧化碳、細顆粒物(particulate matter,PM)等。顆粒物直徑≤10 μm的PM可沉積于肺泡,從而危害人體健康,被稱為可吸入PM(PM10)。PM10根據(jù)根據(jù)直徑進一步細分為粗顆粒(PM10-2.5,2.5～10 μm)、細顆粒物(PM2.5,≤2.5 μm)和超細顆粒物(PM0.1,≤0.1 μm)。可通過地面監(jiān)測站或衛(wèi)星遙感監(jiān)測空氣中PM的濃度。

國內外研究顯示,PM的暴露導致每年約300萬人口過早死亡,占全球死亡人數(shù)的5.86%[3]。其中,PM2.5可穿過肺泡氣血屏障進入肺循環(huán),到達包括腎臟在內臟器并造成損傷。PM2.5被認為是導致疾病發(fā)生率和死亡率上升的最主要的空氣污染物之一[4]。 Liu等[5]從24個國家或地區(qū)的652個城市收集了日死亡率和日空氣污染數(shù)據(jù),濃度-響應曲線顯示PM2.5濃度每增加10 μ g/m3,全因死亡率增加0.68%(95%CI 0.59～0.77)。

慢性腎臟病(CKD)在我國成年人中患病率約為10.8%[6-7]。全球CKD負擔研究顯示,2017年全球CKD患者約6.97億人,同年因CKD致死的人數(shù)超過120萬[8]。大量研究表明,多種環(huán)境污染介導了腎臟損傷,其中空氣污染特別是PM2.5的暴露與CKD密切相關[9]。Bowe等[10]構建PM2.5暴露-反應模型并估算CKD的全球經(jīng)濟負擔,發(fā)現(xiàn)PM2.5引起的CKD全球負擔極重:暴露反應函數(shù)模型顯示,2017年全球PM2.5暴露導致3 284 358.2例(95%CI 2 800 710.5～3 747 046.1例)CKD事件;導致6 593 134.6例(95%CI 5 705 180.4～7 436 870.1例)傷殘調整壽命年(DALYs)下降事件,并導致211 019.2例(95%CI 184 292.5～236 520.4例)死亡事件。為進一步探討PM2.5與CKD的關聯(lián),本文就這一領域的新進展作一綜述。

PM2.5與腎臟損傷相關

印度北部一項關于PM2.5暴露的研究[11]納入94名廚房工作者,并以94名辦公室工作人員作為對照,發(fā)現(xiàn)廚房PM2.5濃度遠高于室內PM2.5濃度(81.3±51.2 μg/m3vs34.7±12.6 μg/m3,P<0.001),廚房工作人員的微量蛋白尿患病率顯著高于對照組(85.11%vs22.3%,P<0.001)。該研究提示廚房PM2.5可能與微量蛋白尿的發(fā)生有關。Chuang等[12]對66名焊接工人和12名辦公室工人進行研究,使用實時粉塵檢測儀測量個體暴露PM2.5濃度。該研究發(fā)現(xiàn),焊接工人的 PM2.5平均暴露水平顯著高于辦公室工人(50 μg/m3vs27 μg/m3,P<0.001),且焊接煙霧暴露后工人尿液腎損傷分子1(KIM-1)和中性粒細胞明膠酶相關脂質運載蛋白(NGAL)水平增加,提示 PM2.5暴露導致腎損的機制可能與腎小管受損有關。

PM2.5與CKD發(fā)生Blum等[13]納入1987年～1990年來自美國四個地區(qū)的10 997名社區(qū)居民，發(fā)現(xiàn)年平均PM2.5濃度與尿蛋白水平和CKD發(fā)病風險存在正相關。經(jīng)過人口學參數(shù)、社會經(jīng)濟狀況和臨床協(xié)變量的多因素校正后,年平均PM2.5濃度每升高1 μg/m3, CKD風險增加5%(HR=1.05,95%CI 1.01～1.10),同時尿白蛋白肌酐比值升高6%(95%CI 2.6%～10.7%)。Chan等[14]開展一項隊列研究以分析PM2.5長期暴露與CKD發(fā)病的關聯(lián)，2001年～2014年間納入年齡≥20歲且隨訪>3年的非CKD中國臺灣居民100 629名。在隨訪的過程中4 046例發(fā)生CKD。使用衛(wèi)星時空模型估計患者居住地PM2.5濃度,并應用年齡、性別、教育程度、吸煙、飲酒、體質量指數(shù)等參數(shù)校正后,發(fā)現(xiàn)PM2.5濃度每升高10 μg/m3,CKD的患病風險增加6%(HR=1.06, 95%CI 1.02～1.10)。

Xu等[15]納入中國282個城市的938家醫(yī)院,收集2004年～2014年間71 151例的腎活檢病理報告。在校正年齡,性別等影響因素后發(fā)現(xiàn),膜性腎病的發(fā)生率以每年13%在增長。全國不同區(qū)域PM2.5濃度與膜性腎病發(fā)病率的關聯(lián)研究發(fā)現(xiàn),PM2.5>70 μg/m3的地區(qū),PM2.5濃度每上升10 μg/m3,膜性腎病的發(fā)病風險上升14%(HR=1.14, 95%CI 1.10～1.18)。這項研究提示高水平的PM2.5暴露導致膜性腎病的發(fā)病風險增加。

PM2.5與CKD進展為明確PM2.5與CKD預后的相關性,Bowe等[16]開展一項納入2 482 737名美國退伍軍人的觀察隊列,中位隨訪時間為8.52年。調整協(xié)變量(包括年齡、種族、性別、體質量指數(shù)及吸煙狀況等)后,PM2.5濃度每升高10 μg/m3,CKD風險增加27%(HR=1.27,95%CI 1.17～1.38),終末期腎病(ESRD)風險增加26%(HR=1.26,95%CI 1.17～1.35),估算的腎小球濾過率(eGFR)減退風險增加28%(HR=1.28,95%CI 1.18～1.39)。另一項來自中國臺灣的隊列研究[17]納入6 628例CKD患者,研究者發(fā)現(xiàn)PM2.5水平每增加7.8 μg/m3,進展至ESRD風險增加19%(HR=1.19,95%CI 1.08～1.31)。Chen等[18]為分析空氣污染與老年人CKD的關聯(lián),納入8 497名年齡>65歲的臺北居民。研究發(fā)現(xiàn)PM2.5吸光度每增加0.4×10-5/m導致 CKD患病風險升高12.6%,(OR=1.126,95%CI 1.057～1.199),CKD進展風險增高11.4%(OR=1.114,95%CI 1.051～1.181)。上述研究在健康人群以及腎臟疾病人群中均證實PM2.5暴露與腎衰竭的發(fā)生有關。

PM2.5所致腎臟損傷病理改變

為研究PM2.5對全身器官的影響,嚴超等[19]將40只SD大鼠隨機分為三組,生理鹽水對照組10只,低劑量[2 μg/100(g·d)]和高劑量[16 μg/100(g·d)]PM2.5長期暴露組各15只,連續(xù)暴露60d。結果顯示高劑量組大鼠體重明顯減輕,大鼠肺、心、肝、脾、腎等臟器均有明顯的炎癥反應,高劑量組腎組織中,部分腎小球毛細血管腔開放不佳、腎小球動脈硬化改變、部分包囊輕微擴張以及少量包囊破裂。Yan等[20]探究PM2.5對糖尿病大鼠靶器官的影響，用鏈脲霉素構建糖尿病大鼠模型,并將大鼠暴露于平均PM2.5濃度為13.30 μg/m3的環(huán)境中達16周。免疫組化結果顯示,糖尿病大鼠的腎小球硬化增加且腎小管損傷加重。周晨曦等[21]通過建立大鼠PM2.5經(jīng)呼吸道亞慢性染毒模型,病理顯示大鼠腎臟腎小球輕度萎縮,伴炎細胞浸潤,血管擴張充血,局部近曲小管和遠曲小管中度腫脹。這些研究均基于動物模型,尚缺乏人體中PM2.5暴露與腎臟病理損傷的研究。

PM2.5參與腎臟損傷機制

PM2.5可通過多種途徑導致腎臟損傷(圖1)。

圖1 PM2.5對腎臟的損傷機制[21-29]

氧化應激損傷周晨曦等[21]通過建立大鼠PM2.5經(jīng)呼吸道亞慢性染毒模型,探究PM2.5腎臟損傷機制,研究者將大鼠腎臟與生理鹽水固定比例混合制備組織勻漿,離心后取上清液,應用相應試劑盒檢測大鼠腎臟超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)以及丙二醛(MDA)含量,與對照組比較,PM2.5染毒組大鼠腎臟組織的SOD及GSH-Px含量均降低,而MDA含量升高;采用免疫組化的方法檢測Bcl-2及Bax蛋白的表達情況,發(fā)現(xiàn)Bcl-2蛋白主要表達于腎小管,Bax蛋白在腎小球及腎小管均有表達,與對照組相比,Bcl-2蛋白表達水平下降,Bax蛋白表達水平升高;應用原位缺口末端標記法(TUNEL)檢測腎臟細胞凋亡情況,發(fā)現(xiàn)PM2.5染毒組大鼠腎臟細胞凋亡率高于對照組(25.93%±3.68%vs35.15%±4.39%,P<0.05)。結果顯示,PM2.5可致大鼠腎臟發(fā)生明顯的氧化損傷效應,從而導致細胞凋亡。采油機排氣顆粒(DEP)是城市地區(qū)PM2.5和直徑≤0.1 μm的超細顆粒的主要來源之一。Nemmar等[22]評估長期暴露于DEP對腺嘌呤誘發(fā)的慢性腎衰竭的作用。其研究發(fā)現(xiàn),長期暴露于DEP的慢性腎衰竭大鼠體內,腫瘤壞死因子α、脂質過氧化和活性氧顯著升高;彗星實驗顯示DEP暴露的慢性腎衰竭大鼠腎臟細胞DNA遷移率較對照組增加(P<0.05),提示DNA損傷增加;大鼠腎臟組織勻漿檢測顯示過氧化氫酶等抗氧化酶含量降低。組織病理學檢查顯示DEP暴露的慢性腎衰竭大鼠腎臟壞死細胞計數(shù)增加,腎小球硬化以及腎小管纖維化程度較對照組加重。研究顯示長期暴露于DEP會加重腺嘌呤誘發(fā)的慢性腎衰竭的大鼠的氧化應激、炎癥和DNA損傷。

腎臟血流改變Suleimani等[23]研究分析DEP對慢性腎臟病大鼠的血管影響,發(fā)現(xiàn)DEF暴露大鼠的腎臟血流量(RBF)顯著下降:與對照組相比,DEF暴露組大鼠的收縮壓及舒張壓升高、去氧腎上腺素誘導的血管收縮均更為明顯。該研究進一步分析阿拉伯樹膠(GA)對血管損傷的改善作用,發(fā)現(xiàn)對于DEP暴露導致的血管損傷,GA并無改善作用。Aztatzi-Aguilar等[24]既往研究發(fā)現(xiàn)PM2.5暴露的大鼠的心、肺組織中,腎素血管緊張素系統(tǒng)(RAS)和緩激肽(KKR)系統(tǒng)標志物表達增加。研究者進一步分析PM2.5導致早期腎臟受累,結果顯示[25]與對照組相比,PM2.5暴露組大鼠的血肌酐升高(0.6 mg/dlvs0.7 mg/dl,P=0.03),腎組織中RAS相關基因(AT1R 和Ace)和KKR相關基因(B1R和KLK-1)編碼蛋白均表達上調,免疫組化顯示其腎間質纖維化更重。提出亞慢性的PM2.5暴露導致早期腎臟損害,可能與RAS/KKR失衡有關。

足細胞損傷腎臟足細胞即腎小球臟層上皮細胞,是一種終末分化細胞,數(shù)量少且分化能力弱,可作為腎臟疾病進展或腎臟衰老的指標之一[30]。多環(huán)芳烴(PAH)是PM2.5中常見的有機化學物質,而苯并[b]熒蒽(BbF)是PAH最主要的成分。Zhang等[26]為研究BbF對腎臟足細胞的損傷機制,應用MPC小鼠腎臟足細胞做體外實驗,結果發(fā)現(xiàn)隨著BbF濃度上升,小鼠MPC細胞存活率下降,當BbF濃度升至25 μg/ml,暴露組MPC細胞存活率降至52.0%±4.1%。進一步分析發(fā)現(xiàn),隨著暴露時間延長,MPC細胞存活率下降——BbF作用72h時,MPC細胞存活率下降至52.4%。這些結果提示BbF以劑量和時間依賴的方式誘導足細胞損傷,通過透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)暴露組自噬蛋白表達水平下降和自噬小體數(shù)目減少,且呈時間和劑量依賴性,提示BbF可能通過抑制足細胞的自噬導致腎臟損傷。

代謝損傷為研究PM2.5的毒性機制,Zhang等[27]運用基于H核磁共振(NMR)代謝組學的方法,探討氣管內滴注PM2.5后大鼠的內源性代謝變化以及可能影響的代謝途徑,并使用H-NMR技術結合多元統(tǒng)計分析系統(tǒng)地分析了大鼠血清和尿液的代謝物變化,發(fā)現(xiàn)PM2.5暴露大鼠血清中乳酸、丙氨酸、二甲基甘氨酸、肌酸、甘氨酸和組氨酸的水平顯著降低,尿液中檸檬酸、精氨酸、馬尿酸鹽、尿囊素的水平升高,而蘇氨酸、乳酸、丙氨酸、乙酸鹽、琥珀酸、三甲胺和甲酸鹽的水平降低。觀察到PM2.5主要影響的代謝途徑是甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝,檸檬酸循環(huán)和氨代謝等。代謝組學分析表明,暴露于PM2.5會干擾氨基酸代謝,并影響檸檬酸循環(huán)從而影響糖有氧氧化。

DNA甲基化DNA甲基化是最早發(fā)現(xiàn)的表觀遺傳修飾途徑之一,其中5-甲基胞嘧啶(5-mc)是最主要的表觀遺傳標志物之一,也是研究最為廣泛的表觀遺傳修飾形式。Li等[28]為研究PM2.5暴露對不同組織DNA甲基化的影響,用小鼠構建PM2.5暴露模型,將實驗小鼠分為急性暴露組和慢性暴露組。急性組小鼠飼養(yǎng)于PM2.5濃度為271.8±86.8 mg/m3的高PM2.5濃度環(huán)境中暴露24h,對照組飼養(yǎng)于經(jīng)過PM2.5過濾的環(huán)境下PM2.5濃度為19.8±9.0 μg/m3;慢性暴露組:小鼠飼養(yǎng)于PM2.5濃度為91.3±84.8 μg/m3的環(huán)境中,持續(xù)暴露140d,對照組飼養(yǎng)于經(jīng)PM2.5過濾的環(huán)境中,PM2.5濃度為17.9±7.8 μg/m3,結果發(fā)現(xiàn)無論是急性或者慢性PM2.5暴露,小鼠腎組織中5-mc水平與對照組相比,雖然差異無統(tǒng)計學意義,但仍可見下降趨勢,提示DNA甲基化水平的下降可能參與了PM2.5導致的腎臟損傷。

為探究PM2.5暴露對器官或組織產(chǎn)生的遺傳毒性,Antonio等[29]將實驗小鼠置于PM2.5濃度為682±532 μg/m3環(huán)境下暴露1 h/d,暴露5 d/周,持續(xù)3個月構建慢性PM2.5暴露模型,對照組呼吸環(huán)境空氣,結果發(fā)現(xiàn)實驗組小鼠腎組織中5-mc為4.20%±0.37%,對照組為4.84%±0.24%,雖然與對照組相比差異無統(tǒng)計學意義,但仍能看到下降趨勢;該研究還發(fā)現(xiàn)PM2.5暴露組小鼠腎組織8-oxdGuo(是一種主要的DNA氧化損傷產(chǎn)物)水平上升,提示DNA甲基化水平的下降與DNA氧化損傷可能參與了PM2.5暴露導致的腎臟損傷。

展 望

PM2.5的過量暴露,會增加腎臟疾病的發(fā)生率和死亡率。PM2.5導致腎臟受損的機制十分復雜,主要通過氧化應激、足細胞損傷、腎血流改變、代謝以及DNA甲基化修飾等方面導致腎臟受損。但目前PM2.5暴露參與CKD發(fā)生發(fā)展中的具體機制暫未完全明確,特別是與PM2.5導致腎臟損傷的信號通路、細胞因子及甲基化修飾等的具體機制仍待進一步探索,此外,還應該對遺傳背景與PM2.5腎臟損傷的易感性,以及可用于臨床的生物標記物進行深入研究,這些研究結果將對于防治大氣污染對人類健康的影響起到關鍵作用。