肖純凌

（沈陽醫(yī)學(xué)院，遼寧省環(huán)境污染與微生態(tài)重點實驗室，遼寧 沈陽 110034）

目前，大氣污染形勢依然嚴(yán)峻，以細(xì)顆粒物（PM2.5）為特征的大氣污染物導(dǎo)致秋冬季節(jié)重污染天氣頻發(fā)，不僅影響交通運輸，還造成嚴(yán)重的健康危害。有研究發(fā)現(xiàn)兒童哮喘的急診就診率和住院率隨PM2.5濃度的增高而升高［1-2］。第三次中國城市兒童哮喘流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國城區(qū)0～14歲兒童哮喘總患病率已達(dá)3.02%（95%CI：2.97%～3.06%），部分城市的兒童哮喘患病率已接近8%［3］。一項納入30篇文獻(xiàn)的Meta分析發(fā)現(xiàn)，1990年至2014年我國年齡≥40歲人群慢性阻塞性肺疾病（COPD）患病率呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，其中男性人群患病率高于女性，且COPD患病率隨年齡增長而上升［4］。已有文獻(xiàn)報道，PM2.5及其化學(xué)組分可通過氧化應(yīng)激和炎性損傷，引發(fā)和加重各種呼吸系統(tǒng)疾病，導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)疾病患病率升高［5-6］。眾所周知，人類的呼吸道定植著特有的微生物群落，呼吸道微生態(tài)是維持呼吸道健康的關(guān)鍵，呼吸道菌群能夠抵抗呼吸道致病菌的定植，在維護(hù)呼吸道生理和維持免疫穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮作用［7］。細(xì)菌或病毒感染、接觸過敏原、暴露空氣污染等都可引起氣道炎癥，從而改變呼吸道微環(huán)境，呼吸道微生物菌群的紊亂，又會引發(fā)進(jìn)一步的氣道炎癥［8］。已有的研究發(fā)現(xiàn)體內(nèi)的微生物菌群的變化，與呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生、進(jìn)展存在密切關(guān)聯(lián)。吸道微生物組的模式被描述為“短暫但不定居（transient but not resident）”，反映了其組成復(fù)雜和動態(tài)變化的特性［9］。

重度污染（霧霾）發(fā)生時，環(huán)境微生物菌群變化的研究結(jié)果顯示，霧霾天總微生物的數(shù)量在微細(xì)顆粒中增加，PM2.5、SO2、NO2和空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）等在霧霾天與空氣微生物濃度呈顯著正相關(guān)［10］?？諝庵形⑸飻?shù)量的增加會直接影響霧霾天的空氣質(zhì)量。另一項有關(guān)非霧霾天和霧霾天的生物氣溶膠分布差異的研究結(jié)果表明，在非霧霾天和霧霾天的生物氣溶膠在不同粒徑上的分布差異不大，可存活生物氣溶膠濃度與PM2.5（AQI）呈負(fù)相關(guān)［11］。有研究已經(jīng)驗證吸煙和大氣污染均可導(dǎo)致環(huán)境微生物分布發(fā)生變化，亦可以導(dǎo)致呼吸道口咽部微生態(tài)變化［12-13］，并且伴有明顯的炎癥反應(yīng)發(fā)生［13］。通過對微生物組的研究發(fā)現(xiàn)，微生物菌群可以調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)［14-16］。本研究就大氣PM2.5暴露致呼吸道微生態(tài)失衡對呼吸系統(tǒng)損傷相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 PM2.5等空氣污染物和菌群失調(diào)均與兒童哮喘發(fā)作和嚴(yán)重程度相關(guān)

大量人群流行病學(xué)資料表明室內(nèi)外空氣污染物可誘發(fā)并加劇哮喘癥狀，哮喘的急診就診率和住院率隨PM2.5等污染物濃度的增高而升高［17-21］。PM2.5等空氣污染物誘發(fā)和加重哮喘的機(jī)制涉及免疫-炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激、調(diào)控基因的表觀遺傳學(xué)改變等［22-25］。近年的研究發(fā)現(xiàn)，菌群失調(diào)與兒童哮喘發(fā)作有關(guān)。一項對308名兒童（一半患有哮喘）進(jìn)行的研究表明，當(dāng)同時檢測到病原微生物時，嚴(yán)重呼吸道疾病或哮喘惡化的風(fēng)險顯著增加［26］。支氣管細(xì)菌群落組成與哮喘患者的氣流阻塞程度和高反應(yīng)性相關(guān)，但隨著哮喘嚴(yán)重程度的增加，關(guān)聯(lián)的性質(zhì)會轉(zhuǎn)變。在輕度哮喘患者中，細(xì)菌多樣性與支氣管高反應(yīng)性程度呈負(fù)相關(guān)［27］，而在嚴(yán)重哮喘中，較低的細(xì)菌多樣性與更嚴(yán)重的氣流阻塞有關(guān)［28］，表明在整個疾病發(fā)展進(jìn)程中，呼吸道微生物菌群具有不同的病理作用特征。此外，對于不同表型的哮喘患者，哮喘患者氣道微生物群落及其與宿主的相互作用也存在差別?？偠灾?，氣道菌落特征差別是造成哮喘嚴(yán)重程度和表型的差別原因之一［27，29-30］。

在微生物菌群與哮喘發(fā)作機(jī)制研究方面也取得一定的進(jìn)展。與病毒和細(xì)菌病原體同時存在于呼吸道的菌落具有增強(qiáng)氣道中細(xì)胞募集和炎癥的能力，增強(qiáng)特應(yīng)性哮喘中過敏原的炎癥反應(yīng)［31-32］。哮喘兒童上呼吸道的由卡他莫拉菌主導(dǎo)的菌群增強(qiáng)的聚糖代謝以及其他已知的細(xì)菌毒力途徑，可以激活氣道炎癥過程［33-34］。暴露于卡他莫拉菌的肺上皮細(xì)胞的體外研究顯示了可以強(qiáng)烈誘導(dǎo)促炎細(xì)胞因子IL-8的改變［35］。另外，已有研究顯示使用卡他莫拉菌、肺炎鏈球菌或流感嗜血桿菌刺激外周血單核細(xì)胞可以強(qiáng)烈誘導(dǎo)IL-5、IL-13和IL-17等細(xì)胞因子的產(chǎn)生［36-37］。表明在沒有呼吸道病毒的情況下細(xì)菌也可以誘發(fā)或加重哮喘。

2 PM2.5和呼吸道微生物組變化均會影響免疫應(yīng)答，導(dǎo)致CO PD病情惡化

大量細(xì)胞實驗、動物實驗和人群研究表明，PM2.5可引起呼吸道產(chǎn)生氧化應(yīng)激和加重炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致COPD病情的惡化［38-40］。微生物組在形成和調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)和維持宿主免疫穩(wěn)態(tài)方面起著至關(guān)重要的作用［41］。宿主細(xì)菌生態(tài)學(xué)的變化會對免疫亞群，包括Th1∕Th2的平衡和Th17、調(diào)節(jié)性細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞的生長分化等產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響從而導(dǎo)致疾病易感性［42-43］。有學(xué)者描述肺免疫應(yīng)答與肺微生物組之間的相互作用為“陰陽模型”；下呼吸道微生物組與免疫應(yīng)答之間存在著動態(tài)平衡［44］。肺微生物組和上氣道的富集可以影響宿主免疫狀態(tài)。有研究通過對比對照組和COPD（GOLD 4級）患者的肺組織中V3-V5區(qū)的16S rDNA，發(fā)現(xiàn)微生物多樣性的下降與肺氣腫組織破壞、支氣管和肺泡組織的重塑有關(guān)，而肺組織則被CD41 T細(xì)胞浸潤，說明對肺微生物組的宿主免疫應(yīng)答可能對COPD發(fā)病機(jī)制有貢獻(xiàn)［45］。

痰液是通過呼吸道單層纖毛上皮的纖毛運動排出肺部的，痰液的指標(biāo)可以反映深部肺組織的生理狀態(tài)。有些研究使用誘導(dǎo)痰液研究了下呼吸道的炎癥狀態(tài)［46］。肺部微生態(tài)失調(diào)可以誘導(dǎo)IL-8的表達(dá)，痰液中的IL-8與肺部微生物多樣性和菌群構(gòu)成相關(guān)［47］。

3 東北地區(qū)冬季采暖期大氣污染可能與健康呼吸道菌群失衡相關(guān)

計安東等［48］的研究采用時間分層交叉設(shè)計分析延邊朝鮮族自治州2015至2016年P(guān)M2.5濃度與呼吸系統(tǒng)疾病死亡間的暴露-反應(yīng)關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)呼吸系統(tǒng)疾病死亡率隨著PM2.5濃度升高而增加。呼吸道菌群是維護(hù)人類呼吸道健康的重要因素，動物實驗研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)大氣污染物暴露可造成Wistar大鼠口咽部致病菌增加，氣管及肺泡上皮的漸進(jìn)性損傷且損傷隨著污染物濃度增加而加重，大氣污染物引起的呼吸道疾病可能和呼吸道菌群失衡有關(guān)［49］。郭杰［50］通過對大氣污染物濃度與非特異性支氣管炎死亡人群數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，研究發(fā)現(xiàn)沈陽市2013年至2015年大氣污染物濃度致非特異性支氣管炎日死亡人數(shù)增加，女性要高于男性，對65歲以上人群要高于65歲以下人群，采暖期高于非采暖期，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義；同時該研究對Wistar大鼠進(jìn)行PM2.5染塵模型制作，采用16S rRNA高通量測序技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)：染塵組呼吸道菌群豐度高于對照組，且染塵組優(yōu)勢菌最多的是變形菌門、厚壁菌門、放線菌，在屬水平中優(yōu)勢菌是未確定的菌屬、羅氏菌屬、鏈球菌屬和銅綠假單胞菌屬，進(jìn)一步驗證了大氣污染物可能通過呼吸道菌群失調(diào)導(dǎo)致人群非特異性支氣管炎的發(fā)生發(fā)展。嚴(yán)思遠(yuǎn)［51］通過建立 PM2.5暴露模型，探討了 PM2.5暴露對CB17-SCID肺癌荷瘤小鼠呼吸道菌群的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PM2.5可引起小鼠呼吸道菌群紊亂，致病菌的易感性增加。為探討空氣污染與呼吸道微生物群的關(guān)系，選取東北地區(qū)冬季采暖期18～21歲健康志愿者114人，輕度污染區(qū)35人，中度污染區(qū)40人，重度污染區(qū)39人。從拭子樣本中提取微生物基因組DNA，利用16S rRNA測序，檢測志愿者口咽菌群組成，并對志愿者進(jìn)行肺功能測試。初步發(fā)現(xiàn)相比大氣污染程度為輕度的地區(qū)，中度、重度地區(qū)人群口咽菌群擬桿菌門相對豐度顯著降低；普雷沃菌屬、奈瑟菌屬、嗜血桿菌屬、噬二氧化碳細(xì)胞菌屬相對豐度明顯下降，在普雷沃菌屬上差異最大；且中度、重度地區(qū)志愿者肺功能有降低趨勢。提示肺功能與空氣污染有關(guān)，在高、中、低空氣污染區(qū)口咽微生物群不同。因此，在東北冬季供暖期，口咽微生物群失衡可能是由空氣污染引起的，可能與青年人肺功能損害有關(guān)［52］。

因此，研究大氣細(xì)顆粒物與呼吸系統(tǒng)疾病的聯(lián)系及其機(jī)制，只關(guān)注PM2.5及成分對健康影響是不夠的，還需要研究大氣PM2.5及成分污染特征下，人群活動的室內(nèi)外環(huán)境中微生物的種類及其含量的變化，PM2.5如何干擾呼吸道菌群的平衡甚至破壞這種平衡，呼吸道菌群失衡與PM2.5共同作用下會對呼吸系統(tǒng)造成什么影響，這樣才能揭示大氣細(xì)顆粒物可能誘發(fā)的呼吸系統(tǒng)損傷作用機(jī)制，全面闡述大氣細(xì)顆粒物的生物效應(yīng)與健康危害，這不僅是降低大氣細(xì)顆粒物污染疾病負(fù)擔(dān)，保護(hù)人群健康，迫切需要解決的關(guān)鍵科技問題,而且可以促進(jìn)我國環(huán)境污染與健康領(lǐng)域研究的跨越發(fā)展,為修訂大氣細(xì)顆粒物標(biāo)準(zhǔn)提供科學(xué)依據(jù),為臨床呼吸系統(tǒng)疾病的診斷、靶向治療提供新的思路，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。