沙塵暴顆粒物致心臟毒性的炎癥機制研究

雷林峰 聶芳菲 李星輝 王楠

【摘要】流行病學和實驗研究已明確沙塵暴顆粒物為心血管疾病發生和發展的新危險因素，其獨立于已知的危險因素，如吸煙、高血壓、高脂血癥和糖尿病等。沙塵暴顆粒物進入人體首先在肺部激發氧化應激和炎癥反應，隨后炎癥因子進入循環系統，引起心臟毒性損傷，最終導致心血管系統疾病的發生。本文就沙塵暴顆粒物致心臟毒性的炎癥機制進行闡述。

【關鍵詞】沙塵暴；顆粒物；心臟毒性；炎癥反應

【中圖分類號】R541 【文獻標識碼】A 【文章編號】ISSN.2095-6681.2018.26..02

沙塵暴是由于強風將地面塵沙吹起使空氣很混濁，水平能見度常小于1km的災害性天氣現象。沙塵暴中的顆粒物（particulate matter，PM）由于風的影響

形成傳播速度快，影響范圍廣的特點。當人們暴露于沙塵暴天氣中時，含有各種

有毒化學物質、病菌等的塵土可透過層層防護進入到人體。若這些含有大量有害

物質的塵土得不到及時清理，將侵入機體并造成相應損害，從而引發各種疾病[1]。以往的研究主要集中于沙塵暴顆粒物對呼吸系統的危害，但對心血管系統的危害

及其機理人們了解甚少。沙塵暴中對機體危害最大的是PM。PM按其空氣動力學直徑分為粗顆粒物PM10（≤10 um）、細顆粒物PM2.5（≤2.5 um）、超細顆粒物UFP（≤0.1 um）[2]。PM2.5和UFP除沉積在肺泡外，因直徑很少還可穿透血氣屏障進入血液循環。因此，沙塵暴PM不僅與呼吸系統疾病有關，而且還與心血管系統疾病的發生和發展有關[3]。

1 沙塵暴顆粒物對心血管系統的影響

PM可增加心血管系統疾病的發病率和死亡率[4]。暴露于PM對心血管系統的不利影響主要通過直接和間接作用機制產生。這兩種機制可以進一步分為以下三種主要途徑：PM直接進入血管、PM沉積在肺泡（間接）、自主神經系統的功能失調（間接）[3]。因PM2.5和UFP微粒直徑很小，可直接進入循環系統，對心血管

系統疾病產生直接影響。董鳳鳴等[5]對2007～2008年北京市海淀區居民PM暴露情況進行了監測，發現短期暴露于PM可升高暴露人群循環系統疾病的死亡率，

其中PM2.5、PM10每升高10 ug/m3，所關聯的循環系統死亡的超額危險度分別為0.78%、0.36%，且在溫暖季節（4月～9月）時PM對循環系統疾病死亡率的影響要大于寒冷季節（10月～3月），兩季節循環系統疾病死亡率相比差異有統計學意義（P<0.05）。急性暴露于PM2.5可能會增加心血管系統疾病（缺血性心臟病、心律失常和心力衰竭）醫院急救室就診的風險[6]。短期暴露于PM2.5可誘發與心血管系統疾病相關的死亡（如心肌缺血和梗死、心力衰竭、猝死），成為心血管系統疾病的確定危險因素之一[7]。且PM2.5暴露濃度每升高10 ug/m3，急性缺血性冠狀動脈事件（不穩定型心絞痛和心肌梗死）的風險增加4.5%[8]。累積PM2.5暴露對于鋁冶煉廠工人和制造工人發生缺血性心臟病的風險更高[9]。Hoek等[10]對多地區成年人長期暴露于PM2.5進行研究，發現長期暴露于PM2.5的人群，其心血管系統疾病的死亡率為11%，而非惡性呼吸系統疾病的死亡率為3%，表明PM2.5對心血管系統疾病死亡率的影響要大于對非惡性呼吸系統疾病死亡率的影響。

2 沙塵暴顆粒物致心臟炎性損傷

PM的炎性效應強弱與其化學成分、粒徑大小、表面面積等關系密切。大量體內、外實驗結果表明，暴露于PM可引起白介素-1（IL-1）、白介素-6（IL-6）、白介素-8（IL-8）、C反應蛋白（CRP）、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）及巨噬細胞炎癥蛋白-2（MIP-2）升高。通過敲除小鼠還原型輔酶Ⅱ（NADPH）氧化酶基因及誘導型一氧化氮合酶（iNOS）基因，發現暴露于PM可引起小鼠血清IL-6、TNF-α、MIP-2降低，從而反向證明正常小鼠暴露于PM可引起上述指標的升高[11]。另有研究也發現暴露于PM可引起上述炎性因子的升高，暴露于PM的BALB/c小鼠通過誘導CXC趨化因子表達，增加小鼠血清MIP-2量[12]。體外實驗已證實暴露于PM可引起IL-6、IL-8、MIP-2水平升高[13-14]。

在理化性質相似的情況下，PM引起的炎癥反應與其粒徑大小、暴露濃度、暴露時間有一定的關系。與暴露于PM2.5相比，暴露于粗顆粒物（PMc）環境能引起體內IL-1β、TNF-α的量明顯增加[15]。除此之外，也有研究表明長期暴露于PMc的人群，其血清IL-6、CRP量有所升高[16]。在大鼠氣管內滴注PM2.5，24和72小時后發現TNF-αmRNA、MIP-2mRNA有所升高，且TNF-α蛋白、MIP-2蛋白也相應升高[17]。

PM引起炎癥反應可呈劑量-效應關系，即隨著PM暴露劑量升高，炎癥反應效應逐漸增強。研究表明暴露于PM2.5的小鼠，其血清IL-1、IL-6、TNF-α量都呈劑量依賴性增高[18]，且2周后IL-6的升高量與PM2.5暴露的劑量呈正相關關系[19]。在大鼠實驗中也發現類似的結果，暴露于PM2.5的wistar大鼠，24小時后可見IL-6、CRP明顯升高，且高劑量組大鼠升高的量要大于低劑量組大鼠[20]。在經氣管滴注PM10的wistar大鼠中發現其血清IL-6、TNF-α升高，且隨PM10劑量的增加IL-6量逐漸升高[21]。人類SZ95皮脂細胞體外實驗也證實暴露于PM2.5，48小時后IL-1α、IL-6、IL-8呈劑量依賴性升高[22]。

PM引起炎癥反應可呈時間-效應關系，即隨著PM暴露時間延長，炎性反應效應逐漸增強。而且暴露于PM還可引起心肌細胞發生異常改變。研究發現暴露于PM的雄性BALB/c小鼠，MIP-2逐漸升高，3小時升高致最大值，且炎癥反應在暴露后24小時最強[23]。將小鼠連續5天進行氣管內滴注PM2.5，發現小鼠心肌細胞肥大及炎性細胞浸潤[24]，且滴注24小時后發現心臟組織切片有炎性細胞浸潤[25]。除此之外，大鼠經氣管內滴注PM，24小時后心臟組織切片可觀察到心肌細胞線粒體腫脹、嵴紊亂、分解和消失的現象[26]。由此可見，可吸入顆粒物一次性氣管滴注染毒后可造成心肌細胞肥大及炎性細胞浸潤，對心肌細胞產生一定的毒性效應。

3 總結與展望

綜上所述，暴露于沙塵暴PM可引起IL-1、IL-6、IL-8、CRP、TNF-α、MIP-2升高，也可引起心肌細胞肥大及炎性細胞浸潤。且沙塵暴PM所致炎性效應不僅具有劑量-效應關系，而且具有時間-效應關系。但目前國內外實驗對于后者關系的研究較少。因此，以后的研究不僅要注重沙塵暴PM暴露濃度的影響，更要重視其暴露時間的影響。隨著工業和經濟的快速發展，生態環境的破壞及其惡化日益嚴重，沙塵暴PM對人體的危害也愈加明顯，現在已引起越來越多的人關注。以后的研究應從沙塵暴PM的暴露濃度、暴露時間入手，研究某一地區沙塵暴PM引起心血管系統毒理學效應的暴露時間及濃度，不僅有助于評價該地區沙塵暴PM污染嚴重程度，而且有助于為當地政府制定出較為合適的對人體健康有損害的沙塵暴PM暴露濃度及時間閾值。有利于人類對沙塵暴PM致心臟炎性損傷的認識及對自我健康的保護。

參考文獻

[1] 石廣玉，趙思雄.沙塵暴研究中的若干科學問題[J].大氣科學，2003（04）：591-606.

[2] 趙英政，徐光翠，吳衛東.大氣顆粒污染物對心血管系統的毒性作用及機制[J].新鄉醫學院學報，2015，32（02）：96-100.

[3] Nelin T D， Joseph A M， Gorr M W， et al. Direct and indirect effects of particulate matter on the cardiovascular system.[J]. Toxicology Letters， 2012， 208（3）：293-299.

[4] Bai N， Khazaei M， Eeden S F V， et al. The pharmacology of particulate matter air pollution-induced cardiovascular dysfunction[J]. Pharmacology & Therapeutics， 2007， 113（1）：16.

[5] 董鳳鳴，莫運政，李國星，等.大氣顆粒物（PM10/PM2.5）與人群循環系統疾病死亡系的病例交叉研究[J].北京大學學報（醫學版）醫學版，2013，45（3）：398-404.

[6] Xu Q，Wang S，Guo Y，et al.Acute exposure to fine particulate matter and cardiovascular hospital emergency room visits in Beijing，China[J].Environmental Pollution，2016，220（Pt A）：317.

[7] Brook R D，Rajagopalan S，Rd P C，et al.Particulate matter air pollution and cardiovascular disease：An update to the scientific statement from the American Heart Association[J].Circulation，2010，121（21）：2331-2378.

[8] 3Rd P C，Muhlestein J B，May H T，et al.Ischemic heart disease events triggered by short-term exposure to fine particulate air pollution[J].Circulation，2006，114（23）：2443-2448.

[9] Brown D M，Petersen M，Costello S，et al.Occupational Exposure to PM2.5 and Incidence of Ischemic Heart Disease：Longitudinal Targeted Minimum Loss-based Estimation[J].Epidemiology，2015， 26（6）：806.

[10] Hoek G，Krishnan R M，Beelen R，et al.Long-term air pollution exposure and cardio- respiratory mortality：a review[J]. Environ Health，2013，12（1）：43.

[11] Becher R， Bucht A， ?vrevik J， et al. Involvement of NADPH oxidase and iNOS in rodent pulmonary cytokine responses to urban air and mineral particles[J]. Inhalation Toxicology， 2007， 19（8）：645-655.

[12] Kim J， Natarajan S， Vaickus L J， et al. Diesel exhaust particulates exacerbate asthma-like inflammation by increasing CXC chemokines[J]. American Journal of Pathology， 2011， 179（6）：2730-9.

[13] Bhavaraju L， Shannahan J， William A， et al. Diesel and biodiesel exhaust particle effects on rat alveolar macrophages with in vitro exposure[J]. Chemosphere， 2014， 104（4）：126.

[14] Gorr M W， Youtz D J， Eichenseer C M， et al. In vitro particulate matter exposure causes direct and lung-mediated indirect effects on cardiomyocyte function.[J]. American Journal of Physiology Heart & Circulatory Physiology， 2015， 309（1）：H53.

[15] Ferguson M D， Migliaccio C， Ward T. Comparison of how ambient PMc and PM2.5 influence the inflammatory potential[J]. Inhalation Toxicology， 2013， 25（14）：766.

[16] Adar S D， DSouza J， Mendelsohnvictor K， et al. Markers of Inflammation and Coagulation after Long-Term Exposure to Coarse Particulate Matter： A Cross-Sectional Analysis from the Multi-Ethnic Study of Atherosclerosis[J]. Environmental Health Perspectives， 2015， 123（6）：541.

[17] Snow S J， De V A， Osorniovargas A， et al. The effect of composition， size， and solubility on acute pulmonary injury in rats following exposure to Mexico city ambient particulate matter samples.[J]. Journal of Toxicology & Environmental Health Part A， 2014， 77（19）：1164.

[18] Park E J， Roh J， Kim Y， et al. PM 2.5 collected in a residential area induced Th1-type inflammatory responses with oxidative stress in mice[J]. Environmental Research， 2011， 111（3）：348-355.

[19] Chuang H C， Ho K F， Cao J J， et al. Effects of non-protein-type amino acids of fine particulate matter on E-cadherin and inflammatory responses in mice[J]. Toxicology Letters， 2015， 237（3）：174.

[20] 王艷盼.PM2.5對大鼠心血管系統的急性炎癥反應和凝血因子的影響[D].河北醫科大學，2012.

[21] 呂鵬，董兆舉.一次性氣管滴注PM（10）所致大鼠肺臟和心臟的炎癥反應[J].現代預防醫學，2012，39（6）：1481-1484.

[22] Liu Q， Wu J， Song J， et al. Particulate matter 2.5 regulates lipid synthesis and inflammatory cytokine production in human SZ95 sebocytes[J]. International Journal of Molecular Medicine， 2017， 40（4）.

[23] Wegesser T C， Last J A. Lung response to coarse PM： bioassay in mice[J]. Toxicology & Applied Pharmacology， 2008， 230（2）：159-66.

[24] Jin Y， Wu Z， Wang N， et al. Association of EGF Receptor and NLRs signaling with Cardiac Inflammation and Fibrosis in Mice Exposed to Fine Particulate Matter[J]. Journal of Biochemical & Molecular Toxicology， 2016， 30（9）：429.

[25] Orona N S， Ferraro S A， Astort F， et al. Acute exposure to Buenos Aires air particles （UAP-BA） induces local and systemic inflammatory response in middle-aged mice： A time course study[J]. Environmental Pollution， 2016， 208（Pt A）：261.

[26] 寇曉晶.PM2.5暴露對大鼠心臟線粒體損傷效應及分子機制研究[D].山西大學，2015.

本文編輯：李 星