大氣細顆粒物長期暴露對慢性阻塞性肺疾病發(fā)病機制的研究進展

胡月穎 車春莉

作者單位：150081 黑龍江 哈爾濱，哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院呼吸內(nèi)科

慢性阻塞性肺疾病(COPD)又稱慢阻肺，是一種以持續(xù)氣流受限為特征的可以預(yù)防和治療的疾病，其氣流受限多呈進行性發(fā)展[1]。慢阻肺主要累及肺臟，但隨疾病進展，逐漸出現(xiàn)多種并發(fā)癥直至死亡，對人群健康的影響不容忽視。慢阻肺的危險因素有很多，隨著空氣污染、汽車尾氣等的增加，大氣細顆粒物對慢阻肺的發(fā)病機制逐漸引起關(guān)注，然而目前大多數(shù)研究主要集中在吸煙對慢阻肺的影響，大氣細顆粒物對慢阻肺發(fā)病機制的影響仍模糊不清。

大氣細顆粒物(PM2.5)的流行病學(xué)

細顆粒或PM2.5是空氣動力學(xué)直徑小于2.5μm的顆粒，主要來源于工農(nóng)業(yè)混合因素，包括生物因素、交通、生物質(zhì)燃燒和混合城市因素，但預(yù)計至2030年發(fā)電廠、工業(yè)和住宅燃煤會有所增加[2]。其成分主要包含多環(huán)芳烴 (PAHs) 、金屬陽離子以及無機陰離子，其特定組分的毒性不僅取決于顆粒物的大小和濃度，還與元素含量有關(guān)[3]。

進一步研究發(fā)現(xiàn)大氣細顆粒物中除了含有物理化學(xué)成分外，還含有細菌及其衍生物[4]。 Cao等[5]分析了北京的一項污染事件，發(fā)現(xiàn)PM2.5樣本中含有86.1%的細菌，13.0%的真核生物，0.8%的古細菌和0.1%的病毒，還發(fā)現(xiàn)了引起呼吸道疾病的微生物如肺炎鏈球菌、煙曲霉及人類腺病毒C。胡亞東等[6]還發(fā)現(xiàn)了通常存在于土壤和植物中，并可存在于食物中，還可引起胃腸道疾病，也與眼睛、呼吸道和傷口感染有關(guān)的蠟樣芽胞桿菌[7]。顆粒物載帶病原體的種類及多樣性還受氣象參數(shù)、空氣污染、理化轉(zhuǎn)化、地理特征等多種因素影響[4]。由于PM2.5本身特征，可吸附有害物質(zhì)，吸入到人體氣道深處，沉積在肺組織，造成肺部局部損傷。

流行病學(xué)研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)PM2.5與COPD有關(guān)。Huang等[8]采用多元Logistic回歸模型對3941名不吸煙的臺灣省成年人進行分析發(fā)現(xiàn)暴露于PM2.5濃度大于38.98μg/m3臺灣省不吸煙者對COPD的易感性增加。Chen[9]等經(jīng)過一個全國性時間序列分析得出PM2.5濃度在兩天移動平均值中每增加10μg/m3，死亡率就會顯著增加，其中COPD的死亡率增加0.38%，然而，不同地理位置之間PM2.5與慢阻肺的關(guān)系程度各不相同。而減少環(huán)境二氧化氮和細顆粒物水平可顯著減輕肺受損增長的風(fēng)險[10]。

大氣細顆粒物(PM2.5)對慢性阻塞性肺疾病(COPD)的發(fā)病機制

目前認為PM2.5對COPD發(fā)病機制的研究主要為炎癥反應(yīng)、免疫失衡、氧化應(yīng)激及表觀遺傳等。上述發(fā)病機制會引起COPD特征性的病理生理變化即持續(xù)性的氣流受限致肺通氣功能障礙，引起上述病理生理改變的兩種重要病變?yōu)樾獾啦∽兒头螝饽[病變。其中小氣道病變包括小氣道炎癥、小氣道纖維組織增生、小氣道管腔粘液栓等使小氣道阻力明顯升高，肺氣腫病變則包括小氣道塌陷及肺泡彈性回縮力明顯降低[1]。

一、炎癥反應(yīng)

Toll 樣受體4(TLR4)，TLR家族成員之一，是COPD炎癥過程的重要組成部分之一。核因子-κB(NF-κB)對于氣道中炎性細胞因子的表達具有重要的調(diào)節(jié)作用，可增加炎癥介質(zhì)如IL-6、IL-8等的表達和釋放，促進氣道慢性炎癥和COPD 的發(fā)展[14]。TLR4/NF-κB激活是炎癥反應(yīng)中的經(jīng)典途徑之一。研究發(fā)現(xiàn)PM2.5可激活TLR4表達和NF-κB信號通路，以觸發(fā)炎癥細胞因子環(huán)氧化酶-2的釋放，誘導(dǎo)巨噬細胞活化。最終，PM2.5暴露誘導(dǎo)了活化巨噬細胞的炎癥反應(yīng)。同時，促炎細胞因子如IL-6和趨化因子被釋放以誘導(dǎo)炎癥[15]。因此長期PM2.5暴露可能會刺激肺泡上皮細胞或使巨噬細胞活化，釋放炎癥因子，使COPD的慢性炎癥延續(xù)下去。

二、免疫失衡

Notch受體是一種單一的跨膜受體蛋白。Notch可通過細胞間相互作用，和配體結(jié)合等激活Hes1和Hey家族的下游靶基因，共同參與T細胞的激活、增殖和分化[16]。Gu等[17]研究發(fā)現(xiàn)COPD小鼠存在Th1和Th17介導(dǎo)的免疫紊亂，即Th1/Th2和Th17/Treg比值增加，使Notch信號通路處于過度激活狀態(tài)，PM2.5可促進Notch信號通路的過度激活，加重慢性阻塞性肺疾病的免疫障礙。Liu等[18]研究發(fā)現(xiàn)Notch信號通路可能通過Hes1正向調(diào)節(jié)PM2.5誘導(dǎo)的Muc5AC，導(dǎo)致人氣道上皮細胞粘液分泌過多加重。而Notch信號通路的失調(diào)與COPD的病理有關(guān)，特別是在黏膜增生和內(nèi)皮細胞凋亡中[19]。

因此PM2.5可通過過度激活COPD的Notch信號通路，參與COPD小鼠的Th1和Th17介導(dǎo)的免疫紊亂和粘液蛋白的表達，促使COPD炎性細胞增生產(chǎn)生炎性介質(zhì)引發(fā)炎性反應(yīng)進展及粘液高分泌，進而發(fā)生內(nèi)皮細胞凋亡及黏膜增生等一系列病理改變，加重COPD的進展。

三、氧化應(yīng)激

研究表明PM2.5表面富含鐵、銅、鋅、錳等金屬，以及多環(huán)芳烴[3]。這些成分可刺激肺上皮細胞釋放活性氧(ROS)，如超氧物和過氧化氫。Zhang等[20]研究發(fā)現(xiàn)PM2.5暴露后可增加COPD組織中血管緊張素-II(Ang-Ⅱ),Ang-Ⅱ的增加可激活NF-κB通路引起強烈的炎癥反應(yīng)，卻通過抑制核因子促紅細胞生成相關(guān)因子2(Nrf-2)的信號通路，促進ROS活性增高，加重氧化/抗氧化反應(yīng)，而Nrf-2是細胞防御化學(xué)/氧化應(yīng)激的重要調(diào)節(jié)因子，血紅素加氧酶1(HO-1)是Nrf-2激活后轉(zhuǎn)錄的蛋白之一。因此一旦PM2.5沉積在肺細支氣管和肺泡表面，可刺激上皮細胞釋放ROS，ROS激活A(yù)ng-Ⅱ/NF-kB信號通路和抑制Nrf-2/HO-1信號通路增強COPD大鼠炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激。

四、表觀遺傳

表觀遺傳學(xué)是指基因的核苷酸序列不發(fā)生改變的情況下，可遺傳的基因表達水平的改變，包括DNA甲基化 、組蛋白修飾重塑等[21]。研究發(fā)現(xiàn)高PM2.5暴露后，健康青年人調(diào)節(jié)炎癥和氧化應(yīng)激的基因發(fā)生了甲基化，如含有45(TRIM45)基因在高PM2.5下三重基序甲基化顯著，該基因的靶蛋白調(diào)節(jié)絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)和NF-κB炎癥信號通路[21]。Na等[22]發(fā)現(xiàn)MAPK和NF-κB信號通路的激活與柴油排放顆粒暴露后人氣道上皮細胞MUC5AC和MUC5B基因的上調(diào)相關(guān)，而MUC5AC和MUC5B兩種粘蛋白的高表達，使COPD大鼠的粘液高分泌[12]，而粘液高分泌會導(dǎo)致小氣道阻力增加，氣流受限進行性加重，導(dǎo)致COPD肺功能下降加重。

上述研究表明，PM2.5長期暴露，會使其成分沉積在COPD患者的肺細支氣管和肺泡表面，刺激肺上皮細胞釋放ROS，激活A(yù)ng-Ⅱ/NF-κB信號通路和抑制Nrf-2/HO-1信號通路，增強COPD患者的炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激或促使粘液高分泌，或通過Notch信號通路引發(fā)免疫失衡，加重炎癥反應(yīng)和氣道粘液高分泌，或影響基因甲基化等一系列致病過程，增強支氣管炎癥、杯狀細胞增生和粘液高分泌，進而導(dǎo)致小氣道重塑和肺氣腫的升高，使氣流受限進行性加重，肺功能下降，影響COPD的發(fā)展[12]。

PM2.5對肺部微生態(tài)的影響與COPD發(fā)病機制的關(guān)系

一、PM2.5與肺部微生態(tài)

Yang等[23]研究發(fā)現(xiàn)暴露于PM2.5后，細菌物種多樣性下降，允許其他種類擴大，表明暴露損害了肺組織中的生態(tài)位平衡，干擾了細菌多樣性。Li等[24]研究發(fā)現(xiàn)PM2.5暴露會擾亂肺微生態(tài)結(jié)構(gòu)，引起肺損傷。進一步分析發(fā)現(xiàn)PM2.5暴露引起的肺損傷中丙酮酸和嘧啶代謝紊亂。代謝組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，核苷主要通過兩種途徑分解代謝，一種是氧化途徑，另一種是還原途徑，而嘧啶可以降解為簡單的代謝物，成為碳和氮的來源[25-26]。其中氧化途徑僅在一些細菌中被報告,如大腸桿菌[25]，而還原途徑存在于一些古生菌、細菌和真核生物中[26]。且研究表明，肺代謝物的改變與肺微生物群有顯著的相關(guān)性[27]。Olou等[28]研究發(fā)現(xiàn)脫氧尿嘧啶有抗氧化特性，且觀察到脫氧尿嘧啶核苷可以去除ROS 誘導(dǎo)的應(yīng)激。所以PM2.5引起的肺代謝譜紊亂與慢阻肺的微生物區(qū)系變化之間，可能存在因果關(guān)系。

二、肺部微生態(tài)與COPD

隨著技術(shù)的發(fā)展，打破了傳統(tǒng)認為肺是無菌的[29],進一步研究發(fā)現(xiàn)下呼吸道有類似上呼吸道的微生物群，且證實了肺部微生物群研究中確定的口腔微生物群，是由于一種生理過程，如吸入，而不是在支氣管鏡檢查或咳痰受到污染[30],部分肺部微生物與腸道重疊[31],且還有一部分可能在出生時就已經(jīng)定植在呼吸道中[32]。肺部微生態(tài)還可能受年齡、吸煙、肺移植、不正常的解剖結(jié)構(gòu)和可能改變微生物組的藥物使用等的影響[25]。

Pragman等[30]發(fā)現(xiàn)在COPD患者中放線菌、鏈球菌、丙酸桿菌、棒狀桿菌、德沃西亞屬、羅氏菌屬和嗜血桿菌屬，是慢性阻塞性肺病肺部微生物群中最豐富的屬，隨著COPD嚴重程度的改變，肺部微生物群也發(fā)生了變化，在COPD病情加重期間，主要的菌群變化是變形桿菌、厚壁菌或擬桿菌，在嚴重(慢性阻塞性肺疾病全球倡議3)COPD患者加重期間檢測到鏈球菌和莫拉氏菌水平[33]。因此COPD的加重與支氣管微生物組的異質(zhì)性變化可能有關(guān)，與COPD病原體相關(guān)的物種豐富度種類增加，有助于組成和功能穩(wěn)態(tài)的微生物群成員減少。

三、PM2.5對肺部微生態(tài)的影響對COPD發(fā)病機制的影響

Wang等[34]發(fā)現(xiàn)嗜血桿菌及其他蛋白細菌比例增加可能會將正常肺微生物生態(tài)系統(tǒng)改造成一種失調(diào)狀態(tài)，肺部微生物群的失調(diào)可能間接觸發(fā)CXCL8/IL-8的過度產(chǎn)生。PM2.5暴露也可升高人支氣管上皮細胞中IL-6、IL-8的水平[35]。而CXCL8/IL-8是中性粒細胞的趨化劑，中性粒細胞的活化和聚集是COPD炎癥過程的一個重要環(huán)節(jié)，CXCL8/IL-8在慢阻肺患者血清中明顯升高，可誘導(dǎo)氣道炎癥，產(chǎn)生粘液加重慢阻肺[36]。因此PM2.5與菌群失調(diào)可共同作用引起CXCL8/IL-8升高，加重COPD。

Yadava等[37]發(fā)現(xiàn)肺微生物群可誘導(dǎo)局部IL-17反應(yīng)，而Th17細胞的主要效應(yīng)因子是IL-17，PM2.5暴露會使COPD組血清中IL-17的增加更加顯著，加重Th17/Treg的免疫失衡，參與Notch信號的調(diào)節(jié)導(dǎo)致慢性肺疾病發(fā)展[17]。而Liu等[38]研究表明空氣顆粒物暴露下的IL-6是炎癥過程中上皮細胞上細胞間粘附分子-1(ICAM-1)表達的重要誘導(dǎo)因子，且ICAM-1表達與NF-κB通路密切相關(guān)，曾有研究發(fā)現(xiàn)乳桿菌可激活NF-κB和MAPK通路，進而引起免疫細胞反應(yīng)[39]，因此PM2.5及其載帶的微生物可能會引起COPD肺部微生態(tài)的失調(diào)，激活相關(guān)通路引起免疫細胞的免疫應(yīng)答引起炎性因子水平的變化，加重慢性阻塞性肺疾病的進展。

PM2.5與其他因素相互作用對COPD的影響

研究發(fā)現(xiàn)PM2.5暴露后在COPD患者和人支氣管上皮細胞中，母體表達的基因3(Meg3)具有LncRNA的功能[40]。Song等[41]進一步研究發(fā)現(xiàn)Meg3在COPD組織中表達增高，且與 FEV1% 呈負相關(guān)。這些結(jié)果提示PM2.5長期暴露后可能會通過影響基因的表達引起人氣道上皮細胞炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激，進而引起慢阻肺肺功能的下降，加重COPD的發(fā)展。

另有研究發(fā)現(xiàn)雖然PM2.5可通過ROS激活A(yù)ng-Ⅱ/NF-κB信號通路和抑制Nrf-2/HO-1信號通路增強COPD大鼠炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激，但冷應(yīng)激會協(xié)同PM2.5使上述變化更顯著[20]。此外，Zhao等[42]研究發(fā)現(xiàn)長期暴露于PM2.5會導(dǎo)致COPD組肺功能下降，肺氣腫病變和氣道炎癥。而香煙煙霧與PM2.5實驗組使上述變化更明顯。因此香煙煙霧與PM2.5同時暴露可能會加重COPD進展。

總 結(jié)

綜上所述，PM2.5暴露可刺激COPD肺上皮細胞及巨噬細胞釋放炎癥因子，引起IL-6、IL-8等升高，同時PM2.5暴露后COPD的優(yōu)勢菌群也會引起IL-6、IL-8等升高，引發(fā)炎癥反應(yīng)。PM2.5暴露還可引起Th1和Th17介導(dǎo)的免疫紊亂，使Notch信號通路處于過度激活狀態(tài)，加重COPD的免疫紊亂，而肺部微生物也可引起相應(yīng)的免疫失衡。另外乳桿菌可激活NF-κB通路，而NF-κB信號通路與PM2.5暴露引起COPD的炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激等機制密切相關(guān)，因此肺部微生態(tài)可協(xié)同PM2.5引發(fā)上述機制的發(fā)生,進一步導(dǎo)致COPD肺部微生態(tài)的紊亂，引發(fā)肺損傷，或PM2.5通過影響肺部微生物的代謝途徑誘導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng)導(dǎo)致肺功能下降。而香煙煙霧及冷應(yīng)激等也可協(xié)同PM2.5，影響COPD的發(fā)展，這為研究慢阻肺發(fā)病機制提供了一個全方位的思考。

展 望

空氣污染一直是全球關(guān)注的問題，而其對慢阻肺發(fā)病機制的影響也倍受矚目。隨著宏基因組測序技術(shù)及代謝組學(xué)的發(fā)展，為研究慢阻肺的發(fā)病機制提供了一個新的思路如PM2.5如何引起慢阻肺微生物菌群失調(diào)的或者PM2.5與肺部微生物群落之間如何作用促使慢阻肺進展的或PM2.5對慢阻肺微生物的影響是否會影響代謝紊亂而加重慢阻肺。了解肺部微生態(tài)中菌株的免疫潛力及其發(fā)病機制，有助于選擇改善呼吸道疾病發(fā)病頻率的菌株，減輕疾病嚴重程度。但隨著慢阻肺疾病的進展，使用皮質(zhì)類固醇激素的頻率增加，會影響慢阻肺微生態(tài)的研究，這仍然是一個有待解決的問題。而減少工業(yè)污染物的排放，仍是目前我國迫切需要解決的問題。