PM2.5參與哮喘發生發展的機制研究進展

王也，田曼

(南京醫科大學附屬兒童醫院呼吸科，南京 210008)

哮喘是由多種細胞及細胞因子共同參與的異質性疾病，以可逆性氣流受限、慢性氣道炎癥、黏液分泌及氣道重構為主要特征，是常見的呼吸道慢性疾病之一。目前，全球約有3.34億人患有哮喘，每年約有25萬人死于哮喘，且患病率逐年上升[1]。哮喘可導致患者生活質量下降、殘疾甚至死亡，給社會發展帶來沉重的負擔。哮喘的分布具有地區差異性，發達國家的患病率高于發展中國家，其中環境因素是導致哮喘的危險因素之一，隨著我國工業化水平的提高、城市化進程不斷加快、空氣污染日益嚴重，我國的哮喘患病率逐年升高，自1990年起，14歲以下兒童每10年哮喘累積患病率上升約1%[2]。研究發現，哮喘患病率的增加與空氣顆粒物的濃度呈正相關，且持續吸入空氣顆粒物可能加快哮喘的進展[3]?？諝忸w粒物特別是空氣動力學直徑≤2.5 μm的細顆粒物(particulate matter，PM)2.5是空氣污染中具有生物效應的成分，對機體各系統均有損害，可通過機械性破壞、免疫炎癥等方式參與多種呼吸道疾病的發生發展。兒童的氣道發育是逐漸成熟的過程，這一階段是對PM2.5敏感性增加的窗口期，長時間暴露于PM2.5會使兒童更易罹患哮喘等呼吸道疾病，但目前PM2.5參與哮喘發生發展的機制尚不完全明確，因此積極探討PM2.5與哮喘之間的關系具有重要臨床意義?，F就PM2.5參與哮喘的發生發展機制予以綜述。

1 哮喘和PM2.5

哮喘是復雜的基因-環境相互作用的結果，環境因素在哮喘發病機制中的作用日益凸顯，包括變應原、病原微生物、空氣污染物等，其中PM2.5作為空氣污染的重要污染源，與哮喘的發生發展密切相關。PM2.5直徑小、相對表面積大、活性強等特點使其在空中懸浮時間長、易吸附有毒物質且易被人體吸入氣道深部，從而危害呼吸系統、心血管系統等。PM2.5可沉積于整個呼吸道，特別是小氣道和肺泡，導致氣道和肺泡炎癥，可能是參與哮喘發生發展的重要基礎[4]。PM2.5的來源及構成十分復雜，人為源產生的PM2.5含有大量化石燃料燃燒后產生的有毒物質，其中過渡金屬、多環芳烴和自由基是PM2.5的特殊成分，這些成分可能引起氧化應激，進一步引發哮喘癥狀。此外，PM2.5中可能含有花粉、塵螨等各種變應原，導致哮喘加重及新發哮喘的形成。PM2.5還可與空氣中的二氧化硫、硫氧化物、一氧化碳等氣體混合產生氣溶膠，長期漂浮于空氣中，當大氣環境中的PM2.5超過大氣循環和承載能力時，顆粒物可持續集聚產生大范圍霧霾，增加人群暴露于PM2.5的機會，增加罹患哮喘等呼吸道疾病的風險。

流行病學研究發現，PM2.5濃度與哮喘就診人數呈正相關。一項研究證實，短期PM2.5濃度的增加與成人哮喘就診率顯著相關，該研究采用廣義相加潑松模型對在北京各大醫院就診的9萬余人次哮喘患者進行研究，發現PM2.5濃度每增加10 μg/m3，當天哮喘的總就診人次即增加0.67%[5]。而重慶一項針對0～18歲兒童和青少年的研究發現，PM2.5暴露與兒童和青少年哮喘發作的門診就診人次呈正相關，PM2.5濃度每增加10 μg/m3，兒童哮喘發作的門診就診人次即增加約1.6%，進一步分層分析發現，PM2.5對2～5歲學齡前兒童的影響更大[6]。這些研究均提示高濃度PM2.5暴露可能是新發哮喘及哮喘急性發作的重要因素。

PM2.5可使原有哮喘惡化。Li等[7]通過對哮喘兒童長達6個月的隨訪發現，高濃度PM2.5與哮喘控制不良顯著相關，PM2.5濃度每增加一個四分位距，哮喘控制分數即增加0.32分，同時，PM2.5暴露可使哮喘患兒的肺功能下降，加重原有的哮喘癥狀[8]。近年來，有學者提出PM2.5可能導致新發哮喘形成，Gehring等[9]通過出生隊列研究發現，早期暴露在空氣污染中可能會導致整個兒童和青少年期哮喘的發生。歐洲一項研究發現，約有14%哮喘患兒的病因可歸因于與道路交通相關的污染物[10]。一項對10～18歲青少年的隊列研究發現，高速公路交通與兒童肺功能發育缺陷有關，而高速公路附近的PM2.5濃度遠高于其他地區，說明PM2.5可能對兒童和青少年肺發育產生不良影響[11]。

2 PM2.5參與哮喘發生發展的機制

高濃度PM2.5暴露對呼吸道上皮細胞及神經感受器有直接刺激作用，并通過促進氣道炎癥效應及氧化應激參與哮喘的發生發展，但具體機制尚不明確。英國空氣質量效應醫學委員會提出，空氣污染可能導致哮喘發生和惡化的潛在機制包括氧化應激和損傷、氣道重構、炎癥反應、增強氣道對過敏原的易感性，這些機制參與哮喘形成的過程中涉及多種基因參與調控，而多種基因的變異可能導致新發哮喘形成或加重原有的疾病狀態[12]。

2.1氧化應激和損傷 氧化應激是指機體受到刺激時，細胞內活性氧類(reactive oxygen species，ROS)和活性氮等氧化產物產生過多，機體的氧化和抗氧化狀態失衡導致機體損傷。研究表明，內源性ROS和氧化應激參與哮喘的起源和調節，同時氧化應激是哮喘嚴重程度的決定因素[13]。PM2.5作為外源性氧化劑，高濃度的暴露可引起機體產生氧化應激反應。研究表明，高濃度PM2.5滴鼻可導致健康小鼠體內炎癥反應和氧化應激水平增加[14]。并且PM2.5對機體的不良影響可延續至成年，使成年小鼠的哮喘易感性增加[15]。體外實驗證實，PM2.5刺激后的正常氣道上皮細胞和肺泡巨噬細胞ROS產生增多[16-18]。此外，PM2.5還能增加哮喘患者體內的氧化應激水平，McCreanor等[19]發現，成年哮喘患者在柴油動力車輛密集街道行走2 h后，痰中過氧化物酶水平增加，提示氧化應激水平與吸入性顆粒物相關。

PM2.5可能通過顆粒中包含的過渡金屬和有機化合物破壞細胞內鈣離子穩態、改變線粒體功能、還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)氧化酶或激活氧化還原敏感炎癥信號通路等多種機制，發揮氧化應激作用，介導哮喘的發生發展[20]。PM2.5引起的鈉-鉀泵和鈣泵功能障礙可導致離子失衡和線粒體膜電位降低，引起線粒體腫脹、外膜破裂或碎裂，最終導致線粒體功能障礙，使ROS水平增高[21]。大量ROS通過激活促炎信號通路，如氧化還原敏感的核因子κB信號通路，增加促炎基因表達并產生炎癥細胞因子，參與哮喘的形成[22]。Rui等[23]發現，PM2.5誘導產生的ROS可作為信號分子激活胞外信號調節激酶/蛋白激酶B/核因子κB通路，增加細胞間黏附分子-1和血管細胞黏附分子-1的表達，進一步促進單核細胞黏附內皮細胞。嚴重的炎癥狀態還可進一步增強氧化應激反應，粒細胞中的NADPH氧化酶可釋放高水平的超氧化物，加重哮喘。氣道內過多的ROS還可導致氣道上皮和毛細血管內皮屏障功能受損，使ROS進入體循環，導致全身系統的氧化應激和炎癥反應[24]。有證據表明，系統性炎癥在哮喘的發病機制中起重要作用[25]。此外，隨著體內抗氧化物質[如超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過氧化氫酶]的不斷消耗和失活，機體抗氧化防御能力降低，進一步加劇氧化還原障礙和氣道損傷，最終導致哮喘患者肺部和全身炎癥[26]。SOD1在清除細胞ROS中發揮關鍵作用，是最早參與ROS清除過程的抗氧化酶。一項動物實驗發現，PM2.5可通過轉錄微RNA(microRNA，miRNA/miR)-206抑制SOD1的表達，使ROS水平升高，加重哮喘小鼠的肺部炎癥和哮喘癥狀[27]。

2.2氣道重構 長期暴露于高濃度的PM2.5可能引起氣道上皮細胞脆性脫落、上皮細胞頂端極性喪失、杯狀細胞化生、細胞外基質蛋白沉積，導致以氣道上皮細胞纖維化、平滑肌肥大增生、血管生成增加為主要特征的氣道重構，這種病理學改變進一步造成氣道狹窄和氣道壁增厚，是哮喘氣道高反應性的基礎[28]。一項人體病理學證據證實長期暴露于高濃度PM2.5可導致嚴重的氣道損傷，表現為氣道纖維化和平滑肌增生，并可在氣道黏膜活檢中發現PM2.5沉積，說明PM2.5的氣道沉積與氣道纖維化有關[29]。Zou等[30]發現，PM2.5可通過高遷移率族蛋白1-晚期糖基化終末產物信號通路誘導人氣道上皮細胞中的轉化生長因子-β1、血小板源性生長因子-AB和血小板源性生長因子-BB等成纖維細胞因子的表達。He等[31]通過構建高濃度、長時間(長達7個月)PM2.5暴露大鼠模型發現，暴露組大鼠的肺組織病理切片顯示氣道炎癥細胞浸潤增加、氣道平滑肌增厚、氣道周圍膠原沉積增多、黏膜下腺體增生肥大等氣道重構改變。而Ye等[32]研究發現，低濃度PM2.5可能通過音猬因子-平滑受體-核轉錄因子Gli信號通路參與氣道平滑肌遷移，促進氣道重構改變。PM2.5可能通過氧化應激作用破壞氣道脂質膜、蛋白質和DNA結構：①膜脂過氧化可能導致膜流動性的改變，影響膜間離子梯度；②蛋白質氧化修飾導致酶活性喪失、功能障礙和蛋白質交聯；③DNA損傷可能導致細胞信號改變引起細胞凋亡。氧化修飾共同作用可能導致氣道杯狀細胞增生、氣道平滑肌肥大、上皮纖維化，最終導致氣道重構[24]。

氣道上皮結構和功能的改變是氣道重構發生的基礎。氣道上皮組成的物理屏障能阻隔外源性刺激物侵入，并能通過募集和激活樹突狀細胞、2型先天性淋巴細胞等多種細胞發揮適應性免疫調節，在環境因素介導的呼吸道防御機制中發揮重要作用[33]。研究發現，PM2.5暴露可使氣道上皮細胞的緊密連接和完整性遭到破壞[34]。PM2.5也能通過轉錄上調c-Jun氨基端激酶，激活具有抑制纖毛形成作用的小脯氨酸富蛋白3表達，破壞纖毛上皮細胞，降低氣道上皮清除病原體能力[35]。PM2.5還能通過一氧化氮合酶2信號通路誘導細胞自噬，參與介導上皮細胞凋亡[36]。有研究發現，PM2.5通過激活磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信號通路下調miR-331表達，促進ROS生成，導致人氣道上皮細胞IκB激酶β表達式和持續核因子κB激活，介導人氣道上皮細胞氧化應激和炎癥損傷[37]。

2.3免疫炎癥反應異常 哮喘是以慢性氣道炎癥為特征的復雜疾病，涉及眾多細胞和細胞內信號通路，PM2.5中特殊的氧自由基和多環芳烴成分可誘發輔助性T細胞(helper T cell，Th細胞)2和Th17介導的過敏性炎癥。短期的PM2.5暴露可致健康受試者鼻部呼氣中一氧化氮增加及分泌物中嗜酸粒細胞活化因子、白細胞介素(interleukin，IL)-5、IL-8、趨化因子17等增多，提示PM2.5主要通過Th2細胞因子介導的免疫反應引起受試者鼻部炎癥和過敏反應，而以Th2細胞介導為主的免疫炎癥和過敏反應是哮喘發生的基礎[38]。一項動物實驗進一步證實健康小鼠暴露于高濃度PM2.5后，體內IL-4、IL-17A水平增高，γ干擾素水平降低，且小鼠的炎癥基因(Cxcl11和Tnfs4)、過敏和哮喘基因(Clca3和Prg2)的表達明顯增加[39]，Clca3基因可通過調控鈣-氯離子通道，導致黏液細胞增生和過度分泌。不僅如此，PM2.5還可通過Toll樣受體2/Toll樣受體4/髓樣分化因子88信號通路參與Th2細胞相關的免疫應答，加重小鼠肺部的過敏性炎癥[40]。

PM2.5不僅可通過激活Th2介導的炎癥反應參與哮喘的形成，也可通過氧化應激途徑發揮免疫炎癥效應。通過構建經典哮喘細胞模型(Der p1抗原誘導人支氣管上皮細胞)發現，PM2.5可通過氧化應激效應增強人支氣管上皮細胞的先天免疫應答[41]。有體外實驗研究發現，PM2.5能顯著上調人肺上皮細胞的細胞色素P(cytochrome P，CYP)450中CYP1A1/1B1的表達，而CYP在促進氧化應激和促炎反應過程中發揮重要作用[42]。Yuan等[43]進一步沉默人肺上皮細胞中的CYP1A1/1B1發現，經PM2.5刺激上皮細胞的ROS生成、IL-6/IL-8分泌和信號轉導及轉錄激活因子3/磷酸化信號轉導及轉錄激活因子3表達等均受到顯著抑制，提示CYP1A1/1B1通路可能參與介導PM2.5引起的免疫炎癥反應。He等[44]發現，PM2.5中含有的金屬物質和多環芳烴產生的ROS可能導致肺部炎癥，使卵清蛋白誘導的哮喘小鼠肺嗜酸粒細胞浸潤增加。

2.4增加氣道對變應原的易感性 哮喘患者對變應原的易感性是過敏性哮喘發病的主要因素，而氣道易感性的改變可能與變應原接觸機會增加、致敏性增強以及體內免疫防御狀態改變有關。研究發現，PM2.5作為載體將變應原(如花粉)運送至肺部深處，沉積到肺支氣管和肺泡組織等血流豐富的部位，同時PM2.5作為佐劑發揮貯藏作用，防止變應原分散，使氣道與變應原的接觸增多，增強哮喘易感性[45]。同時，PM2.5還可通過化學修飾增加變應原致敏性，通過激活抗原呈遞細胞或刺激Th2細胞參與哮喘發作[46]。也有研究認為，PM2.5可導致氣道重構，破壞氣道上皮物理屏障，進一步增加與變應原接觸機會，削弱氣道防御功能，從而導致哮喘發作[47]。而氣道內菌群的定植與氣道防御狀態相關，PM2.5在氣道引發的氧化應激與炎癥反應可能導致氣道健康菌群紊亂，從而破壞氣道的防御功能，增加哮喘形成風險[48]。一項動物實驗研究證實，PM2.5的暴露會加劇卵清蛋白誘導的哮喘小鼠肺組織氣道炎癥，使小鼠體內嗜酸粒細胞水平增加[49]。Brandt等[50]研究證明，柴油顆粒暴露會促進小鼠肺中變應原特異性記憶T細胞數量增加和持久性，導致肺中特異性變應原Th2/Th17細胞積累，增強變應原二次免疫反應，促進哮喘的發展。

3 小 結

哮喘與PM2.5的暴露密切相關，高濃度、長時間暴露于PM2.5會誘發哮喘的形成并加重哮喘嚴重程度。PM2.5可通過氧化應激、氣道重構、免疫炎癥反應及增強氣道易感性等途徑參與哮喘形成與發展，但具體分子機制尚不完全明確，且相關的分子靶向藥物尚處于基礎實驗階段。目前我國的空氣顆粒物污染問題日益嚴峻，嚴重危害國民健康，空氣環境治理工作對哮喘的防治起重要作用。因此，積極闡明PM2.5參與哮喘發生發展的分子機制對防治PM2.5相關性哮喘具有重要臨床意義。