王寒梅，孫仁山

PM2.5致過敏、氧化應(yīng)激、DNA損傷等機制的研究進展

王寒梅，孫仁山

王寒梅

細顆粒物（particulate matter，PM2.5）是城市大氣的重要污染物，因其粒徑小，面積大，活性強，易附帶有毒、有害物質(zhì)如重金屬、微生物等，且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，故而對人體健康具有很大影響。目前已有大量關(guān)于其致病機制的研究，如機體免疫功能的改變，誘導(dǎo)細胞氧化應(yīng)激和損害，基因突變和DNA損傷，但具體的致病機制尚未完全明確，該文就以上致病機制進行綜述。

PM2.5；過敏；氧化應(yīng)激；DNA損傷

[J Pract Dermatol, 2017, 10(2):104-106]

PM2.5（particulate matter）又稱細粒、細顆粒物，空氣動力學當量直徑≤2.5 μm，是城市大氣的重要污染物。因其粒徑小，面積大，活性強，易附帶有毒、有害物質(zhì)如重金屬、微生物等，且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，故而對人體健康具有很大影響。通過呼吸道進入血液引起各系統(tǒng)損害，還可以增加哮喘、過敏性鼻炎、慢性支氣管炎等疾病的發(fā)病率，加重特應(yīng)性皮炎（atopic dermatitis，AD）、濕疹等皮膚疾病。本文就目前國內(nèi)外對PM2.5的生物學效應(yīng)及其致病機制研究進展進行綜述。

1 PM2.5與過敏

大量研究發(fā)現(xiàn)PM2.5可引起免疫功能的改變。Xie等[1]和He等[2]研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5可以協(xié)同卵清蛋白誘導(dǎo)嗜堿粒細胞顯著增加特異性IgE產(chǎn)生，說明其對IgE介導(dǎo)的變態(tài)反應(yīng)具有重要作用。此外，PM2.5可引起白細胞介素（IL）-17A、穿孔素、腫瘤壞死因子（TGF）-β和基質(zhì)金屬蛋白酶-2（matrix metalloproteinase-2，MMP-2）的表達上調(diào)，同時增加CD4+淋巴細胞、CD17+細胞在脾臟和心臟的表達，但減少干擾素（IFN）-γ和MMP-1的表達。受試者在接受PM2.5刺激后，Toll受體4（toll-like receptor，TLR4）或TLR2陽性細胞減少，血液IgA、IgG、IgM和IgE等免疫指標以及CD4、CD8、CD4/CD8淋巴細胞均有改變。PM2.5刺激2～4 d后，單核細胞表面表達的調(diào)節(jié)非特異性免疫和炎性反應(yīng)的協(xié)同刺激分子，包括CD80、CD40、CD86、HLA-DR和CD23，均顯著增加。Kousha 等[3]調(diào)查分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，空氣污染（PM2.5，NO2等）與蕁麻疹就診人數(shù)之間具有統(tǒng)計學意義。體內(nèi)實驗中，長期處于高濃度PM2.5環(huán)境下的母親產(chǎn)出的嬰兒哮喘發(fā)病率明顯升高，過敏性哮喘兒童接受高濃度PM2.5刺激后，鼻部出現(xiàn)炎癥，血中嗜酸粒細胞百分比、白蛋白和α1-抗胰蛋白酶濃度均增加[4]。He等[5]臨床研究結(jié)果顯示，高濃度的PM2.5環(huán)境可以加重兒童過敏性鼻炎癥狀。馬曉燕等[6]研究發(fā)現(xiàn)，以Th2 占優(yōu)勢的Th1/Th2 細胞比例和功能的失衡為哮喘發(fā)病最主要的免疫異常。正常情況下，Th1與Th2相互抑制并處于恒定狀態(tài)，顆粒物可通過增加Th2 型細胞因子表達和（或）抑制Th1 型細胞因子的表達而引起Th1/Th2 細胞比例和功能失衡，Th1 細胞功能下降，Th2 細胞功能異常增高，導(dǎo)致IL-4、IL-5、IL-13、白三烯、組胺、前列腺素等細胞因子和炎性遞質(zhì)生成，最終形成以IgE 依賴為特征的速發(fā)型變態(tài)反應(yīng)和以嗜酸粒細胞浸潤為主的慢性氣道炎癥。Mimura等[7]臨床調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大氣中PM2.5水平與門診過敏性結(jié)膜炎患者患病情況相關(guān)。人和動物受到PM2.5刺激后，血清C反應(yīng)蛋白、氧化低密度脂蛋白、IL-6、腫瘤壞死因子(TNF)α等升高，出現(xiàn)細胞間黏附分子-1（intercellular cell adhesion molecule-1，ICAM-1）、膜輔蛋白-1（membrane cofactor protein，MCP-1）等單核/巨噬細胞所誘導(dǎo)的趨化因子的釋放，肺部出現(xiàn)炎癥，肺泡灌洗液中細胞數(shù)量、蛋白質(zhì)、炎性遞質(zhì)如TNFα和IL-6均增加，肺組織中促炎癥因子、核轉(zhuǎn)錄因子kappa B（nuclear factor-kappa B，NF-κB）的表達均上調(diào)，由單核-巨噬細胞形成的大鼠肺部異物肉芽腫數(shù)目隨著時間的推移越來越多。體外實驗研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5刺激人類和動物細胞后可誘導(dǎo)其基因表達和促進IL-1β、IL-6、IL-8、MCP-1、TNFα等炎性遞質(zhì)的分泌，且具有時間和劑量依賴性。這些結(jié)果表明，PM2.5可能導(dǎo)致各種各樣對健康具有不利影響的炎癥及免疫功能的改變，誘發(fā)或加重哮喘、慢性支氣管炎、過敏性鼻炎、變態(tài)反應(yīng)性皮膚病等[8]疾病。

2 PM2.5與氧化應(yīng)激

大量研究表明，PM2.5誘導(dǎo)氧化應(yīng)激是其產(chǎn)生生物學效應(yīng)的一個重要機制。一方面，由于PM2.5暴露導(dǎo)致人或動物細胞氧化應(yīng)激和損害：① PM2.5中本身具有環(huán)境穩(wěn)定性的自由基。②大量附著在PM2.5表面的有機化合物被代謝激活成為親電反應(yīng)代謝物（electrophilic reaction metabolites，REMs），導(dǎo)致細胞內(nèi)活性氧（reactive oxygen species，ROS）的產(chǎn)生或增多[9]。③存在于PM2.5上的過渡金屬元素，如Fe、Cu、Vn和 Mn，通過芬頓反應(yīng)（Fenton reaction）或干擾某些相關(guān)酶的功能而誘導(dǎo)ROS的生成[9,10]。④PM2.5介導(dǎo)的炎性細胞的激活能夠產(chǎn)生ROS和活性氮分子（reactive nitrogen species，RNS）誘導(dǎo)氧化應(yīng)激的發(fā)生。另一方面，PM2.5可以通過各種機制損害受刺激細胞的抗氧化系統(tǒng)并降低其抗氧化能力。已有研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5暴露產(chǎn)生ROS作為功能性信號分子，觸發(fā)核轉(zhuǎn)錄因子Nrf2 （NF-E2-related factor-2）易位到細胞核，從而導(dǎo)致抗氧化酶系統(tǒng)轉(zhuǎn)錄變更，可引起超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過氧化氫酶（catalase，CAT）和谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）表達改變并降低其活性，也可引起硝基磷脂酶、過氧化物酶和血紅素氧化酶（heme oxygenase，HO）活動異常及谷胱甘肽代謝酶如葡萄糖-6-磷酸脫氫酶（glucose -6-phosphate dehydrogenase，G6PD）、谷胱甘肽還原酶（glutathione reductase，GR）、谷胱甘肽過氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-Px）和蛋白酪氨酸磷酸酶（protein tyrosine phosphatase，PTP）等活性顯著降低。此外，PM2.5暴露產(chǎn)生的ROS可通過損害血脂、蛋白質(zhì)和DNA等生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能而導(dǎo)致靶細胞和組織的損害。已有研究報道[11,12]，8-羥基脫氧鳥苷（8-hydroxy-deoxyguanosine，8-oxodG）是DNA氧化損傷的重要預(yù)測因子，血紅蛋白中的γ-谷氨?；肴?、血紅蛋白和血漿蛋白中的2-氨基脂肪半醛是蛋白質(zhì)氧化反應(yīng)標志，血漿丙二醛是脂肪氧化反應(yīng)標志，均與PM2.5暴露水平有關(guān)。過量的ROS還可能通過激活NF-κB，凋亡信號調(diào)控激酶（apoptosis signal-regulating kinase 1，ASK1），c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）和p53信號通路對細胞產(chǎn)生損害[13,14]。而以上這些不良反應(yīng)常被抗氧化劑顯著抑制或減弱[12]。氧化應(yīng)激使研究者對PM2.5的致病機制有了基本了解，但對于參與PM2.5誘導(dǎo)的細胞內(nèi)反應(yīng)的復(fù)雜信號通路仍然存在許多知識缺口。

3 PM2.5與DNA損傷

大量研究表明，PM2.5中的某些成分具有致突變作用和基因毒性，其中多環(huán)芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）和硝基化合物（如硝基-多環(huán)芳烴、羥胺、3-硝基苯并蒽酮）被認為是PM2.5攜帶的主要致癌化合物。通過8-oxodG、核酸鏈斷裂、核酸內(nèi)切酶Ⅲ和多環(huán)芳烴加合物發(fā)現(xiàn)PM2.5導(dǎo)致人類或動物細胞的各種DNA損傷。如PAHs 在人體內(nèi)的代謝產(chǎn)物二氫二醇環(huán)氧苯并芘（anti 7,8 dihydrodiol 9,10 epoxidebenzo(a)pyrene，BPDE）可與DNA 親核位點鳥嘌呤外環(huán)氨基端共價結(jié)合，形成BPDE-DNA加合物，引起DNA 損傷，誘導(dǎo)基因突變和細胞癌變。除了PAH 外，在PM2.5中檢測到的3-硝基苯并蒽酮（3-nitrobenzanthrone，3-NBA）也能與細胞DNA 形成加合物激發(fā)了一系列復(fù)雜的過程最終導(dǎo)致基因突變和基因癌變，Kawanishi等[15]研究揭示了加合物形成及DNA損傷、修復(fù)的分子機制。PM2.5暴露引起的DNA損傷反應(yīng)，如增加共濟失調(diào)毛細血管擴張突變基因（ataxia telangiectasia-mutated gene，ATM）、Chk2蛋白激酶（checkpoint kinase 2）、組蛋白H2AX的磷酸化，可引起一系列細胞生物化學和生理學過程的改變，尤其是對基因表達譜的影響，最終導(dǎo)致細胞功能改變[3,16]。此外，PM2.5可增加人細胞染色體畸變頻率和細胞微核，證明其致染色體斷裂的能力。除了有機化合物，附著于PM2.5表面的和其內(nèi)部的重金屬均對人體細胞具有潛在毒性作用。而抗氧化劑、ROS清除劑和α-萘黃酮可以明顯阻斷PM2.5誘導(dǎo)的基因毒性效應(yīng)，提示ROS參與其中。

4 其他

NF-κB 是大氣細顆粒物造成的機體炎性損傷過程中最早出現(xiàn)的核轉(zhuǎn)錄因子之一，即前炎性因子，它是調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵因子之一。一方面PM2.5通過產(chǎn)生ROS和（或）RNS誘導(dǎo)NF-κB激活，使其轉(zhuǎn)錄水平升高，進而釋放炎性因子，啟動細胞因子的級聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致廣泛彌漫的炎癥損傷；另一方面，NF-κB也誘導(dǎo)ROS和NO產(chǎn)生，從而形成一個正反饋循環(huán)來放大下游的反應(yīng)。Ca2+是細胞內(nèi)重要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)之一，大氣細顆粒物導(dǎo)致細胞內(nèi)Ca2+濃度升高甚至超載，Ca2+超載則會破壞線粒體結(jié)構(gòu)和功能、造成DNA降解、促使自由基生成、激活蛋白激酶而再次導(dǎo)致細胞內(nèi)Ca2+超載，引起細胞凋亡[17]。芳烴受體（aryl hydrocarbon receptor，AhR）是一種配體激活轉(zhuǎn)錄因子，可介導(dǎo)多環(huán)芳烴類化合物的毒性反應(yīng)并參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、細胞分化等一些重要生物學過程，PM2.5釋放的揮發(fā)性有機物和多環(huán)芳烴等通過激活芳烴受體（AhR）引起I時相細胞色素P450酶（如CYP1A1，CYP1A2，CYP1B1，CYP2E1 和 CYP2F1）和II時相酶（如NQO1，ALDH3A1，EPHX1，GST-pi1和 GST-mu3）等基因表達增強并對細胞造成毒性損害。多種信號通路可能參與調(diào)解PM2.5介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，但目前尚不清楚這些信號通路是如何相互協(xié)調(diào)。因此未來有必要進一步深入研究PM2.5的時間、空間分布特征和理化特征，分析不同理化成分的PM2.5對細胞的生物學效應(yīng)。

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The mechanism of PM2.5 induced allergic, oxidative stress and DNA damage: a review

WANG Han-mei，SUN Ren-shan
Department of Dermatology, Daping Hospital and Research Institute of Surgery, 3rd Military Medical University, People’s Liberation Army, Chongqing 400042, China

Particulate matter (PM2.5) is an important element of atmospheric pollutant in city. Because of having the features such as small particle size, large area, strong activity, easy to carry toxic and harmful substances such as heavy metals, microorganisms, and the long stay in the atmosphere and long-conveyed distance, PM2.5 has a great impact on human health. At present, there are a lot of studies on the pathogenic mechanism of PM2.5, such as the change of immune function, the induction of oxidative stress and damage, gene mutation and DNA damage, but the pathogenic mechanism is not yet fully understood. In this paper, we review the pathogenic mechanisms of PM2.5.

PM2.5；Allergy；Oxidative stress；DNA damage

X513；R758.2

A

1674-1293(2017)02-0104-03

2017-01-11

2017-02-07）

（本文編輯 敖俊紅）

10.11786/sypfbxzz.1674-1293.20170213

國家自然科學基金面上項目（81571569）

400042 重慶，第三軍醫(yī)大學大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所皮膚科（王寒梅，孫仁山）

王寒梅，碩士研究生，醫(yī)師，研究方向：皮膚變態(tài)反應(yīng)性疾病，E-mail：812348609@qq.com

孫仁山，E-mail：pharsunr@126.com