環境PM2.5對慢性阻塞性肺疾病的致病機制研究

陳敏燕，黃依璐，樊 劼，壽逸凱，朱驍拯，盧 哲，胡 宇，王歡歡

(杭州師范大學 醫學院，浙江 杭州 310036)

細顆粒物(PM2.5)是大氣中直徑小于或等于2.5 μm的由空氣中酸、有機化學物質、金屬物質、土壤、塵埃顆粒等固體和液體顆粒組成的復雜混合物，可在大氣中保持數天或數周，并可在空中進行遠程轉運[1]。PM2.5可隨呼吸進入肺泡并沉積，甚至滲透至血液而蔓及全身，引起機體相應的病理生理改變[2]。研究表明[3]，長期暴露于PM2.5環境會增加人群呼吸系統、心血管系統等疾病的風險和死亡率。最新的全球疾病負擔(global burden of disease，GBD)分析繼續將空氣污染確定為導致死亡和殘疾的重要風險因素之一[4]。近年來，環境PM2.5對慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)的影響引發了全球的關注。

1 PM2.5污染與COPD相關流行病學研究

據世界衛生組織(WHO)統計，目前全世界大約有6億人患有COPD，預計至2020年COPD將位居全球第3大致死和第5致殘的疾病[5]。COPD是遺傳與環境因素相互作用引起的慢性疾病，與長期或短時間暴露于有害顆粒或有害氣體有關[6]。環境空氣污染可能是引發或加劇COPD發展的潛在危險因素[7]。

流行病學研究顯示了環境PM2.5暴露與 COPD疾病發展之間的關系。上海地區101例慢性阻塞性肺疾病急性加重(acute exacerbation of chronic obstructive pulmonary disease，AECOPD)患者的調查研究顯示，PM2.5質量濃度與AECOPD之間存在劑量—反應關系，且呈季節性差異[8]。Wu等[9]反復測定北京23名穩定的COPD患者呼吸氣道炎癥的生物標志物，結果表明短期暴露于高污染空氣環境會增加COPD患者的呼吸道炎癥和呼吸道癥狀，包括喉嚨痛、咳嗽、咳痰、喘息和呼吸困難。Guo等[10]的一項大規模縱向隊列研究結果表明，環境PM2.5暴露與成人肺功能下降有關，并且會加速COPD的發展。

流行病學研究顯示，暴露于大氣PM2.5污染可增加人群COPD死亡風險。印度的一項研究表明[11]，暴露于環境PM2.5引發的特定疾病(僅限于COPD、中風、缺血性心臟病和肺癌)造成的過早死亡中，COPD占54.5%。Pinault等[12]在加拿大的一項前瞻性隊列研究中表明PM2.5濃度與COPD的死亡率呈正相關，即使暴露于相對較低濃度的環境PM2.5(平均值6.3 μg/m3)，也可觀察到COPD死亡風險的增加。

2 環境PM2.5污染引起COPD的致病機制

研究發現[13-14]，大氣顆粒物可隨呼吸經呼吸道深入肺泡進行積累和擴散，干擾肺的氣體交換，出現通氣功能障礙，其中PM2.5以及直徑更小的顆粒可穿透肺泡壁，破壞肺泡血—氣屏障進入血液循環，引起肺部或全身系統的炎癥反應、氧化應激、免疫細胞失衡、表觀遺傳改變等，導致肺組織結構改變，氣道狹窄和破壞，肺實質的損傷，最終引起氣流受限和粘膜纖毛功能障礙。

2.1 氣道炎癥反應 PM2.5引起的慢性炎癥反應是其誘導COPD的一個重要機制，PM2.5可通過多種途徑引發機體氣道炎癥反應，見圖1。環境PM2.5可靶向誘導肺泡上皮細胞、巨噬細胞和成纖維細胞分化，促進各種炎癥細胞因子釋放，聚集起來的細胞因子又可激活多種炎癥細胞，炎癥細胞與細胞因子反復相互作用，協同導致慢性炎癥和COPD呼吸道結構變化，最終導致肺功能逐步惡化[15-16]。巨噬細胞是機體重要的固有免疫細胞，在細顆粒物的刺激下可被迅速活化，并分化為不同功能亞群。經典激活的M1型巨噬細胞，又稱促炎細胞，具有強大的吞噬殺菌功能，主要分泌白細胞介素-6(interleukin-6，IL-6)、白細胞介素-8(interleukin- 8，IL-8)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)等促炎細胞因子；經旁路激活的M2型巨噬細胞，又稱抑炎細胞，具有抑制炎癥、調節免疫平衡的功能[17]。M1和M2巨噬細胞的平衡對宿主穩態至關重要，而細顆粒物的刺激則會打破平衡。暴露于環境PM2.5增強氧自由基(reactive oxygen species，ROS)依賴的促炎細胞因子粒細胞巨噬細胞集落刺激因子(granulocyte-macrophage colony-stimulating factor，GM-CSF)，IL-6，IL-1β，TNF-α的表達，并進一步增強脂多糖(lipopolysaccharides，LPS)誘導的M1極化，損害M2極化，促進機體炎癥反應發生，從而對機體造成損傷。另外，短時間暴露于PM2.5可顯著損傷線粒體的功能[18]。

核轉錄因子-κB(nuclear factor κB，NF-κB)是機體中重要的細胞轉錄因子，在環境細顆粒物刺激下，可誘導NF-κB信號通路的激活，產生炎性損傷[16]。研究發現，PM2.5能激活COPD患者的巨噬細胞、中性粒細胞等炎癥細胞以及促進患者支氣管肺泡灌洗液中的細胞因子釋放。黏附于PM2.5上的微生物成分(LPS等)刺激上皮細胞膜后，可增加Toll樣受體4 (TLR4)的表達，激活NF-κB蛋白并通過LPS/MyD88信號通路釋放炎性細胞因子[19]。NF-κB對于氣道中炎性細胞因子的表達具有重要的調節作用，可增加炎癥介質如IL-1β，IL-6，GM-CSF和IL-8等的表達和釋放，促進氣道慢性炎癥和COPD的發展[20]。這些炎性因子的釋放對巨噬細胞的極化也有影響。一項動物研究發現[21]，暴露于PM2.5環境后，COPD大鼠肺組織中單核細胞趨化蛋白-1(monocyte chemotactic protein-1，MCP-1)和血管緊張素II(angiotensin II，AngII)以及NF-κB蛋白的表達較健康大鼠顯著增加。IL-6、TNF-α等炎癥細胞因子和趨化因子MCP-1均參與COPD的炎癥反應[22]。

圖1 PM2.5誘導COPD氣道炎癥反應機制

2.2 氧化應激 PM2.5具有自由基活性，PM2.5表面特有的化學特征及其所攜帶的金屬成分、有機成分等能夠刺激肺泡巨噬細胞產生自由基，損傷呼吸道上皮細胞，造成細胞膜屏障功能障礙[23]。PM2.5進入機體后通過釋放大量生物活性較強的ROS誘導氧化應激并改變細胞通透性，導致多種呼吸系統疾病的發生、發展[24]。Liu等[25]研究證實PM2.5的有機成分可以激活和增強細胞內ROS的水平、細胞間黏附分子(intercellular cell adhesion molecule-1，ICAM-1)的表達和單核細胞的粘附作用，并通過肺上皮細胞IL-6/AKT/STAT3/NF-κB信號通路刺激炎癥細胞因子IL-6等的產生，對肺上皮細胞造成氧化損傷；證明ICAM-1和IL-6可作為COPD的生物標志物。

在環境PM2.5誘導COPD氧化應激過程中，涉及多種氧化及抗氧化信號通路。核因子E2相關因子2(nuclear factor-like 2-related factor，Nrf2)氧化應激通路中，PM2.5誘導的ROS可作為信號分子，觸發Nrf2進入細胞核而改變抗氧化酶的轉錄，繼而破壞體內氧化與抗氧化之間的平衡，使過度活化的 ROS 攻擊細胞內的生物大分子，最終導致COPD相關基因和蛋白質水平的改變[15,26]。另有研究表明[27-28]，在PM2.5表面的有機物多環芳烴介導下，PM2.5可通過芳烴受體途徑誘導嚴重的氧化應激，造成細胞損害。Yang等[29]實驗結果表明，吸附在PM2.5表面的多環芳烴等有機化合物可激活多環芳烴受體(polycyclic aromatic hydrocarbons Recipient，AHR)，并通過消耗緊密連接蛋白(zonula occludens-1，ZO-1)和α-1抗胰蛋白酶(α1-antitrypsin，AAT)破壞肺部上皮屏障功能，增加DNA損傷和促炎細胞因子的釋放，增加COPD患病的風險。

圖2 PM2.5誘導COPD的氧化應激機制

2.3 免疫失衡 COPD是一種異質性的綜合征，與肺臟對有害顆粒和氣體的異常免疫反應有關[30]。研究發現[31]，調節性T(Tregs)細胞是COPD發病過程中免疫反應的抑制因子，可使免疫抑制功能明顯下降，失去對炎性細胞的抑制作用，引起輔助性T細胞(Th1)/輔助性T細胞(Th2)失衡或輔助性T細胞(Th17)過度表達，這種免疫反應可導致COPD慢性炎癥的持續和擴展，加速氣道重塑并導致肺功能降低。

環境PM2.5表面的揮發性有機化合物(volatile organic compounds，VOCs)可穿過呼吸道上皮細胞進入人體，抑制樹突狀細胞的抗原呈遞功能。Th2/Th17免疫失衡，細胞因子分泌紊亂，從而增加機體細胞突變、畸形、癌變的幾率[15,32]。Tregs由不同的亞群組成，可分為具有抑制作用的CD25++CD45RA+靜息狀態Tregs(resting Tregs，rTregs)細胞和CD25+++CD45RA-活動狀態Tregs(activated Tregs，aTregs)細胞，以及不具有抑制作用、但能分泌細胞因子的CD25++CD45RA-(Fr III)細胞[33]。Hou等[34]研究發現，COPD患者外周血中rTregs和aTregs的比例低于健康者，而Fr III細胞的比例高于健康者并產生IL-17和γ-干擾素(interferon-γ，IFN-γ)，提示抗炎亞群和促炎亞群之間的不平衡以及具有免疫抑制活性的Tregs亞群比例的下降可能在COPD進展中發揮重要作用。Gu等[35]的動物實驗證實，COPD小鼠表現出Th1和Th17免疫失衡，而PM2.5加重了COPD小鼠的Th1/Th2和Th17/Treg免疫失衡。PM2.5通過激活Notch信號通路調節T細胞分化并參與COPD發病機制中的免疫失衡[36]。Yang等[37]的研究結果也表明，機體長期暴露在PM2.5中能引起炎性反應加劇或延長，引起Th17 /Treg失衡以及相關細胞因子紊亂，降解呼吸道和肺部的細胞外基質(extracellular matrix，ECM)的作用增強，誘導細胞過度凋亡，造成COPD 患者氣道組織破壞和肺氣腫形成。

圖3 PM2.5誘導COPD免疫失衡機制

3 結語

大量流行病學研究表明，PM2.5的暴露與COPD 的發生呈一定的相關性，而相關的體外細胞培養和動物實驗等方法的研究也取得了一定進展。目前，環境PM2.5對COPD的致病機制研究主要包括炎癥反應、氧化應激、免疫失衡等，其中炎癥反應和氧化應激是目前認可的環境PM2.5致COPD的重要機制。進一步深入開展環境PM2.5對COPD致病機理的研究可為 COPD 的臨床治療以及人群預防提供科學參考。