细颗粒物(PM2.5)对呼吸系统的毒性作用

细颗粒物(PM2．5)对呼吸系统的毒性作用

【摘要】本文结合了近三年的八篇参考文献，从三个方面概述了PM2.5对呼吸系统的毒性作用：炎性损伤、氧化损伤和致突变致癌毒性。

【关键词】PM2．5；呼吸疾病；颗粒物；毒性

PM2．5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也被称为可入肺颗粒物，主要来源于化石燃料燃烧；其次是气态污染物经化学反应后形成的二次粒子、汽车尾气及香烟烟雾等。虽然PM2．5在地球大气成分组成中含量很少，但它与空气质量和能见度等有着重要的关系。与较粗的大气颗粒物相比，PM2．5粒径小、比表面积大，其直径还不到人的头发丝粗细的1／20，并且它的形态和组成相当复杂，不仅含有大量的有机物如苯丙芘，而且富集许多重金属如铅 (Pb)、镍(Ni)、铬(Cr)等，由于其重力作用小，在大气中停留时间长、输送距离远。而人体的生理结构又决定了对PM2．5几乎没有任何过滤、阻拦能力，因此导致PM2．5可以随着人的呼吸进入人体，可深达肺泡并沉积，干扰肺部的气体交换和血液循环，从而引发心肺功能障碍等有关的疾病。容易沉降在呼吸道及肺泡内，所以易造成大范围污染，严重危害人类健康。同时这些细颗粒物中所含的有害气体、重金属等溶解在血液中，对人体健康的伤害更大。

PM2.5对呼吸系统的影响主要有三方面：炎性损伤、氧化损伤和致突变致癌毒性。

1.炎性损伤

细颗粒物与肺组织细胞接触后，吸附其上很难掉落，通过刺激作用导致肺组织细胞尤其是肺泡巨噬细胞(AM)的损害。肺部巨噬细胞在呼吸道局部免疫清除中发挥重要作用，是细颗粒物作用的主要靶细胞。汽车尾气颗粒物抑制AM的免疫功能，使其FC受体表达减少，抗肿瘤细胞毒作用及抗体介导细胞毒作用(ADCC)受到不同程度抑制。沉积的细颗粒物作用于Ⅱ型肺泡上皮细胞，抑制细胞分化和细胞代谢的能力，损伤上皮细胞，甚至导致肺上皮细胞增生发生纤维化。Churg等研究发现细颗粒物通过刺激血小板生长因子 (PDGF)与转化生长因子-α,β (TGF-α,β)的产生，间接促进上皮和间质增生，引起气道壁纤维组织增厚，导致增生性炎症。

细颗粒物主要还是通过吸附的毒性成分引起肺组织生化成分改变|以及炎症因子的释放，诱发炎症。大鼠气管注入颗粒物后，肺部灌洗液(BALF)中乳酸脱氢酶(LDH)、酸性磷酸酶(ACP)与唾液酸(NA)的含量明显升高，肖纯凌等也证实了细颗粒物可以引起大鼠BALF中LDH与NA的升高，两者可作为肺实质细胞损伤的早期灵敏指标。Veronesi等研究发现暴露

于细颗粒物提取液的BEAS-2B细胞中Ca2+升高，关键炎症因子IL-6、IL-8、TNF-α等的释放增多，说明颗粒物的酸性可溶性成分通过Capsaicin和PH敏感受体途径刺激BEAS-2B细胞释放细胞因子。PM2.5与碳黑粒子分别作用于RAW264.7细胞，发现PM2.5诱发产生的TNF-α的水平是碳黑粒子的10倍，并可见IL-6水平的升高，而碳黑粒子则无此作用，说明细颗粒物上吸附的污染物是炎症因子释放的主要原因。但也有研究发现颗粒物导致肺组织产生的细胞因子IL-6、TNF-α、MCP-1等的作用是源于PM10，PM10导致细胞因子产生的能力远大于PM2.5，因此还需进一步研究来确证。

细颗粒物诱导气道炎症因子产生的一个途径是通过增强编码转录因子的基因转录水平来实现的。Aamet等发现柴油车尾气颗粒物(ROFA)暴露导致MAP激酶途径的激活，使得核转录因子(NF-КB)、活化转录因子2(ATF2)等活性增加，数量增多，提示转录因子的激活与肺部炎症相关，使炎症因子生成增多。NF-КB被认为在细颗粒物介导的炎症效应中起重要作用，是调节炎症基因转录的因子之一。小鼠暴露于300μg／m3的PM2.56 h，可检测出NF-КB 调控的炎症相关基因α,β-TNF及IL-6、r-IFN、β转化生长因子mRNA水平增高；离体细胞试验中，将肺泡上皮细胞暴露于PM2.5悬液中，可检测到NF-КB调控靶基因转录活性的增高，提示PM2.5可能通过刺激活化NF-КB从而作用于靶基因，诱导基因表达。细颗粒物进入呼吸系统，刺激细胞因子的分泌；细胞因子协同作用于NF-КB等的激活，启动一系列相关基因表达，产生细胞因子级联放大效应，从而引起机体广泛弥漫的炎症损伤。

哮喘是一种气道慢性炎症性疾病，其发病与遗传和环境因素有关，大气PM2.5，污染可能是影响哮喘发病上升的原因。PM2.5可因其急性呼吸道刺激作用引起哮喘，PM2.5也可作为异物引起支气管粘膜与肺泡巨噬细胞(AM)的吞噬反应，产生免疫毒性效应，如抑制Thl型淋巴细胞，降低IL-2活性，长期接触引起特导性IgE升高。PM2.5产生的IgE结合于气道肥大细胞表面，使机体处于致敏状态，再次接触PM2.5就引起哮喘症状发作。

2氧化损伤

研究表明细颗粒物具有自由基活性，细颗粒物含有的金属成分、有机成分等也能够刺激肺泡巨噬细胞产生自由基，对组织细胞造成进一步损伤。PM2.5表面富含的铁、铜、锌、锰等过渡金属及多环芳烃和脂多糖等，可增加肺脏自由基的生成，同时消耗抗氧化物成分而引发氧化应激。自由基是氧化系统中具有强氧化性的有害化学物质。自由基一旦生成，可经中间代谢产物(如中性粒细胞)不断扩展生成新的自由基，形成连锁反应。

自由基对肺部组织细胞的损害主要有以下几点：（1）自由基可破坏肺泡上皮细胞膜的正常结构和吞噬肺泡细胞表面的标志物造成肺泡上皮细胞结构损伤和肺巨噬细胞的吞噬功能障碍；（2）自由基可通过激活核因子-КB，上调趋化因子和炎症介质的表达，启动肺部和系

统性炎症反应。（3）自由基可导致染色体畸变、核酸碱基改变或DNA断裂，干扰线粒体功能并启动细胞程序性死亡。此外，氧化应激反应导致细胞内钙超载可持续激活核因子-КB，使炎症反应加剧或延长，甚至发展成慢性炎症。

Aust等研究发现细颗粒物中的过渡金属成分引起肺上皮细胞(A549)氧化应激以及炎症介质释放，而Hirano等则表明细颗粒物的有机成分有引起内皮细胞氧化应激的能力，导致抗氧化酶如血红蛋白氧合酶-1、谷胱甘肽硫转移酶、NADPH脱氢酶等的mRNA水平的明显升高，通过改变内皮细胞的功能，而与心血管疾病相关。Huang等也观察到，人类支气管上皮细胞 (BEAS-2B)的脂质过氧化损伤与颗粒物中元素碳和有机碳成分有关。

细颗粒物能刺激支气管上皮细胞产生活性氧 (ROS)，驻留的肺泡巨噬细胞吞噬颗粒物后也释放活性氧或活性氮自由基(ROS／RNS)，ROS／RNS产生之后，对组织细胞产生损害作用，其主要病理机制一方面是引起核酸、蛋白等大分子的氧化损伤，导致DNA交联、断裂以及DPC形成；另一方面则是诱导脂质过氧化损伤，导致膜活动性降低，膜上受体与酶类灭活，膜通透性增高等，有助于气道炎症反应和其他病理生理的改变。

3．致突变致癌毒性

近年来肺癌发生率逐年升高，而大气PM2.5污染也越来越严重，已经证实PM2.5含有更多重金属和多环芳烃，推测PM2.5在肺癌发生中起重要作用。Hornberg等用发现PM2.5引起BEAS-2B细胞明显的SCE的产生，提示PM2.5具有遗传毒作用，同样的结论在肺上皮细胞(A549)也得到了证实。随着PM2.5有机提取物剂量的增加，Balb／c373细胞双核微核率明显升高，并可见明显的DNA损伤；同剂量无机提取物则未见损伤，说明PM2.5遗传毒性作用主要由有机提取成分引起的。而在细颗粒物的有机提取物中，有不少研究证实，含有硝基PAH的弱极性成分具有最强的致突变、致癌作用，是主要的遗传毒性作用物

PM2.5在肺癌发生中的作用机制，一方面是细颗粒物通过免疫反应，抑制抗肿瘤细胞毒作用，而增加人群对肺癌的易感性；另一方面作为载体将有害物质带人下呼吸道，诱发产生活性氧，激活信号转导途径，引起支气管上皮细胞突变。Shi等发现细颗粒物可使肺泡细胞产生OH自由基，并诱发8-OH脱氧鸟嘌呤(8-OhdG)的形成，8-OhdG是肿瘤形成的关键因素，提示细颗粒物可以通过诱发氧化应激而诱导肺肿瘤。有报道表明肺上皮细胞暴露于细颗粒物悬液导致了C—Jun蛋白激酶的活力升高，磷酸化的C-Jun活力蛋白水平增加，AP-1依赖的基因转录活力增强。AP-1可结合于许多与细胞增殖和转化有关的基因增强子上，导致基因表达增强，AP-1的激活可能成为颗粒物致癌的潜在机制之一。由此可见，细颗粒物含有的有机物作用于呼吸道上皮细胞，激活信号转导，从而活化癌基因，影响调节基因和抑癌基因的表达，增加癌变发生的危险性。