運動復合顆粒物污染影響呼吸系統健康的分子生理學機制

錢帥偉　張瑞萍　張安民

(煙臺大學體育學院，山東　煙臺　264005)

運動復合顆粒物污染影響呼吸系統健康的分子生理學機制

錢帥偉張瑞萍張安民

(煙臺大學體育學院，山東煙臺264005)

〔關鍵詞〕顆粒物；呼吸系統；氧化應激；炎癥反應；運動；健康效應

目前，顆粒物污染的健康效應日益成為政府和社會各界關注的焦點。運動是增進健康最積極、最經濟的一種手段〔1〕。 一般來說，隨著運動強度的增大和持續時間的延長，呼吸頻率加快，肺通氣量增加，氣體擴散能力增強，顆粒物吸入量也隨之增多。Daigle等〔2〕研究也發現，中等強度自行車運動時，由于每分通氣量的增加，顆粒物肺沉積量是靜息時的4.5倍。因此，與靜息暴露者相比，運動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同一目的地時健康受試者的細顆粒物總暴露量，發現乘出租車時暴露量最少，而騎自行車時暴露量最多；并認為，由于自行車出行是一種中等強度的有氧運動，受試者呼吸頻率遠高于坐公交車和乘出租車，且行駛相同距離時暴露時間更長，細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險。本文旨在梳理運動與顆粒物污染對呼吸系統的相關研究，以期闡釋其影響呼吸系統健康的具體機制。

1顆粒物污染

顆粒物是懸浮在空氣中的固體顆粒或液滴。根據其空氣動力學粒徑，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力學粒徑≤2.5 μm的細顆粒，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，并可經呼吸道進入肺深處及血液循環，引起系統性氧化應激和炎癥反應，導致健康流失〔4〕。細顆粒家族中的超細顆粒(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〕。但由于目前國內外尚未針對其制定相應的環境水準，其污染特征和健康損害效應還知之甚少。細顆粒物仍然是目前的研究重點。

顆粒物污染不僅能降低大氣能見度，造成霧霾天氣，對交通安全構成嚴重威脅，還能嚴重影響空氣環境質量，損害暴露者的生命質量和健康水平。顆粒物表面吸附大量有機污染物和重金屬，可使暴露者遺傳物質受損，致畸、致癌、致突變率顯著增加〔6〕。顆粒物還可引起系統性氧化應激和炎癥反應，對全身組織、器官、系統的結構與功能造成嚴重損害，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、動脈硬化、Ⅱ型糖尿病、阿爾茨海默病(AD)、帕金森綜合征(PD)、多發性硬化癥(MS)等多種慢性疾病的發病率和死亡率〔1,5〕。但由于顆粒物主要組分、暴露濃度、暴露時間、個體差異等因素的多樣性和復雜性，顆粒物對不同人群的健康損害效果也不盡不同。

2運動結合顆粒物污染對呼吸系統的健康效應

2.1肺功能目前有關顆粒物污染影響肺功能的研究主要表現為交通相關顆粒物暴露時肺功能的變化。通過對長期居住在交通高密集區10～18歲青少年的研究發現，在其接近18歲時，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〕研究發現，交通相關顆粒物長期暴露的中年人FEV1和用力肺活量(FVC)均顯著降低，肺功能嚴重受損。這些研究表明，顆粒物長期暴露可嚴重損害肺功能。

目前有關運動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動。通過比較哮喘患者在城市交通高密集區和空氣清新的公園步行2 h后的肺功能變化，發現前者FVC降低5.4%，FEV1降低6.1%，而后者肺功能未有顯著變化〔10〕。Zhang等〔11〕研究發現，哮喘患者在交通繁忙區步行2 h后，FEV1、FVC分別降低3.0%～4.1%、2.8%～3.7%，并伴有痰液中性粒細胞增多和髓過氧物酶活性增強。這兩項研究表明，呼吸系統疾病患者在顆粒物污染下進行急性有氧運動可導致肺功能顯著下降。

顆粒物急性暴露后，再進行一次運動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，血液白細胞介素(IL)-4、IL-5、IL-6、干擾素(IFN)-γ、腫瘤壞死因子(TNF)-α、核轉錄因子(NF-κB)等因子濃度升高，在進行亞極量或極量運動時FEV1/FVC、FEV1下降，提示肺功能降低與免疫功能失調有關。也有研究表明，顆粒急性暴露60 min后，再進行一次20 km的自行車運動，發現運動時心率增加，肺功能顯著降低〔13〕。這說明，顆粒物急性暴露后，再進行一次極量或亞計量運動均可降低肺功能。

對于冰上項目來說，冰場制冰機工作可釋放大量尾氣，使室內顆粒物濃度比室外高30倍，訓練超過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目運動員肺功能降低。該研究還發現，在顆粒物污染的冰場進行一次6 min急性滑冰運動可使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動(30 min、85%～90%最大心率)的肺功能變化，發現只有高濃度顆粒物污染下跑步時才出現FEV1、FEF25-75的顯著下降，并證實這與脂質過氧化損傷有關。因此，建立顆粒物不同濃度的實驗模型可能更能反映肺功能變化情況。

顆粒物污染下/后進行一次不同形式運動均可使肺功能降低，這可能與氧化應激和炎癥反應有關。但目前尚缺少顆粒物污染下進行長期耐力運動影響肺功能的相關報道。

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胞和肺上皮細胞，通過誘導血小板生長因子(PDGF)和轉化生長因子(TGF)-β的激活，促進肺上皮和間質增生，使氣道壁纖維組織增厚，導致肺纖維化〔16〕。顆粒物污染還能引起肺ROS和炎性因子異常釋放，引起細胞周期改變和氧化損傷，甚至對DNA、RNA等遺傳物質造成不可逆性損害。近期研究表明，細顆粒物可使肺上皮細胞LDH、ROS水平上升，SOD、CAT活性降低，并可增強Bax、Caspase-9、Caspase-7、Caspase-3、PARP的蛋白表達，促進細胞損傷和凋亡〔17〕。這說明，顆粒物污染可通過氧化應激和炎癥反應誘導肺病理改變。

盡管顆粒物污染可誘導肺病理性改變，但若在顆粒物污染之前預先進行長期耐力運動似乎可減緩其所致的肺病理性重塑。近期有研究發現，小鼠進行4 w耐力性游泳運動(15 min、5次/w)后，再進行急性顆粒物暴露1 h發現，預游泳運動可部分降低肺TGF-β、IL-1β的表達，減少中性粒細胞產生，抑制炎癥反應，減少膠原沉積〔18〕。這說明，預耐力運動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，小鼠進行8 w預有氧跑臺運動(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血管通透性增加和炎性細胞浸潤，阻遏粘蛋白2、細胞因子、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，預耐力運動也可抑制慢性顆粒物污染所致的肺病理性改變。Toledo等〔20〕進一步優化了實驗方案，通過建立中等強度跑臺運動模型(先預運動60 min，再顆粒物污染30 min、5次/w、24 w)，發現預耐力運動可適度降低小鼠肺ROS和8-異構前列腺素水平，抑制IL-10、TIMP1、CuZn-SOD、GSH表達的降低，減輕炎癥反應。以上研究表明，規律性預運動可適度抑制急、慢性顆粒物污染所致的肺病理改變。

與上述研究不同的是，有學者建立預先進行顆粒物污染、再進行耐力運動的動物實驗模型，從而探知耐力運動可否抑制顆粒物預暴露所致的肺病理改變。該研究認為，盡管顆粒物慢性預暴露可使小鼠肺泡巨噬細胞和中性粒細胞數量增加，膠原異常沉積，但隨后再進行8 w耐力性游泳運動(60 min、5次/w)卻可顯著降低自由基產生，增強SOD、CAT等抗氧化酶活性，適度改善(但不能逆轉)脂質和蛋白質氧化損傷〔21〕。這表明，耐力運動也可改善顆粒物預暴露所致的肺病理改變。

規律性預運動可顯著抑制顆粒物污染所致的肺氧化應激和炎癥反應，抑制肺病理改變；顆粒物預暴露可致肺病理性重塑，但隨后進行規律性運動卻可提高內源性抗氧化酶活性，增強免疫功能，改善肺病理性改變。目前尚缺少顆粒物污染下進行不同形式運動時肺病理性改變的相關報道。

2.3運動能力顆粒物污染不僅能引起肺氧化損傷和炎性損傷，導致氧運輸能力下降，肺功能降低，還能使血管內皮舒張功能障礙，血管僵硬度提高，血管功能受損，血流量降低，這些均是導致運動能力降低的重要原因。有研究發現，在交通高污染區進行一次庫伯測試(12 min跑)，發現VO2max、紅細胞數目、血紅蛋白含量和紅細胞比容均顯著降低，血乳酸水平和白細胞數目升高，最大運動距離縮短〔22〕。提示顆粒物污染下進行亞極量運動可降低運動能力，這與氧運輸能力和肺功能降低有關。Yu等〔23〕通過對居住在交通高污染區的中學生進行一次多級體能測試時，發現VO2max下降1.99%，運動能力降低。Rundell等〔24〕研究表明，健康男性在顆粒物污染下分別進行兩次6 min極力功率自行車測試，且兩次測試間隔3 d，發現首次測試運動能力未發生變化，但末次測試卻顯著降低，并認為這與首次測試引起的免疫失調有關。Cutrufello等〔25〕改良了上述實驗方案，即每次6 min極力功率自行車測試前在同種暴露環境中均進行一次亞極量運動(20 min，60%最大心率)，發現兩次測試均可降低運動能力，認為這與該亞極量運動誘發的免疫失調有關。以上研究表明，顆粒物污染下進行一次極量或亞極量運動均可降低運動能力，這可能與氧化應激和炎癥反應引起的病理性改變有關。

3小結

綜上所述，目前有關運動與顆粒物污染影響呼吸系統的諸多研究表明，顆粒物污染下進行一次不同形式運動均可對呼吸系統產生嚴重負面效應，導致健康流失，這可能與氧化應激和炎癥反應激活有關。而與之不同的是，規律性預運動卻可通過增強內源性抗氧化系統和免疫系統的功能，抑制顆粒物污染對呼吸系統的負面健康效應〔18～20〕；顆粒物預暴露可導致呼吸系統的健康效應流失，但隨后進行規律性運動可適度抑制其過度損傷〔21〕。盡管目前多數研究認為顆粒物污染下進行不同形式運動可對呼吸系統產生嚴重的負面效應，但最近Vieira等〔26〕通過建立50%最大跑速運動(60 min/次、5次/w、5 w)結合顆粒物慢性污染動物模型，發現顆粒物慢性污染下進行耐力性有氧運動可顯著降低顆粒物所致的肺氧化應激、炎癥反應和膠原沉積。其機制為，耐力性有氧運動通過抑制肺ROS和RNS的釋放，抑制氧化應激；通過降低肺IL-1β、TNF-α、IL-6、角蛋白趨化因子(KC)等細胞因子釋放，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，運動促進呼吸系統健康與顆粒物污染危害健康效應之間可能存在一個的平衡點：當顆粒物濃度較低或暴露時間較短時，運動可平衡、抑制和延緩顆粒物所致的健康流失；當顆粒物濃度較高或暴露時間較長，或運動不足于拮抗顆粒物的負面健康效應時，顆粒物可造成嚴重的健康流失。因此，探討運動抵抗顆粒物污染對呼吸系統健康效應的相關機制可能顯得更加重要，這將為公眾科學合理地規劃戶外運動和出行提供新的理論參考。

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〔2015-07-08修回〕

(編輯曲莉)

基金項目：國家自然科學基金資助項目(31050009)；山東省自然科學基金資助項目(ZR2014CP025)

通訊作者：張安民(1959-)，男，教授，碩士生導師，主要從事運動醫學研究。

〔中圖分類號〕R339.4

〔文獻標識碼〕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，主要從事運動醫學研究。