空气颗粒污染物与支气管哮喘
2013/12/16
张志远 陈萍
沈阳军区总医院呼吸内科 110016
支气管哮喘是一种宿主与环境双重因素共同作用而发病的慢性气道疾病。在人群的遗传因素基本保持不变的情况下，环境因素被认为是哮喘发病率不断升高的最重要原因。在诱发哮喘发病的多种环境因素中，空气质量是最易引发公众关注的重要话题。如今工业化发展迅速，给空气环境带来严峻的考验，空气质量日益下降。通过呼吸，空气中的有毒气体或颗粒直接进入身体，极易导致哮喘加重或急性发作。最近做为空气质量监测指标之一的PM2.5进入公众的视线。本文拟就PM2.5与哮喘的关系进行综述。沈阳军区总医院呼吸内科 110016
1. PM2.5与空气质量
1.1什么是PM2.5
PM是英文particulate matter的首字母缩写。PM2.5是环境科学中对大气中空气动力学直径小于或等于2.5微米的颗粒物的总称，相应的PM10是指直径大于2.5微米、等于或小于10微米的颗粒物的总称，也称为可入肺颗粒物[1] 。在120倍的显微镜下可看到PM2.5颗粒的全貌，其形状不同，有发亮像晶体一样的颗粒物；也有像沙漠里石头一样的颗粒物；还有一些比较均匀、比较细微的颗粒物,甚至有的像沙丘或者像干旱的土地。实际上显微镜下能看见各种形状、大小的细粒子。人类纤细的头发直径大约是70微米，这比最大的PM2.5还大了近三十倍。PM2.5指数与PM10指数是每立方米空气中这种颗粒的含量，这个值越高，就代表空气污染越严重。
1.2 PM2.5的来源：包括人为和自然来源
人为来源：直接排放物主要为燃烧物，化石燃料（煤、汽油、柴油）的燃烧、生物质（秸秆、木柴）的燃烧、垃圾焚烧。在空气中转化成PM2.5的气体污染物主要有二氧化硫、氮氧化物、氨气、挥发性有机物。其它道路扬尘、建筑扬尘、工业粉尘、厨房烟。
自然来源：风扬尘土、火山灰、森林火灾、漂浮的海盐、花粉、真菌孢子、细菌。
1.3 PM2.5的成份：PM2.5是一种混合物，其成份主要来自石化类能源物质的燃烧，如机动车尾气、燃煤等，还包括挥发性有机物。其成份常因地区、天气、交通等多种因素的影响而有很大的不同。石化类能源物质燃烧:元素碳、有机碳化合物、硫酸盐、硝酸盐、铵盐。金属元素:钠、镁、钙、铝、铁等地壳中含量丰富的元素，和铅、锌、砷、镉、铜等主要源自人类污染的重金属元素。
1.4 PM2.5与空气污染
PM2.5受到人们的重视，一方面由于其富含大量的有毒、有害物质，且很难自然沉降落到地面，在大气中的停留时间长、输送距离远，PM2.5是阴霾天气的主要元凶；另一方面由于其颗粒直径小，可直接被吸入人体的下呼吸道，因而对人体健康和大气环境质量的影响较大。PM2.5与空气污染每立方米空气中PM2.5的含量越高，表示空气污染越严重。表23-1显示了空气污染指数（API）范围及相应的空气质量类别。
1997年美国提出PM2.5的标准，为了更有效地监测随着工业化日益发达而出现的、在旧标准中被忽略的对人体有害的细小颗粒物。世界卫生组织定的安全水平为PM2.5每立方米空气中10微克。
美国国家航空航天局（NASA）2010年9月公布了一张全球空气质量地图，专门展示世界各地PM2.5的密度。 全球空气质量地图由加拿大达尔豪斯大学的两位研究人员制作。他们根据NASA的两台卫星监测仪的监测结果，绘制了一张显示出2001年至2006年PM 2.5平均值的地图。在这张图上红色（即PM2.5密度最高)，出现在北非、东亚和中国。中国华北、华东和华中PM2.5的密度指数接近每立方米80微克，甚至超过了撒哈拉沙漠。2012年英国《经济学人》杂志利用卫星数据，题为“中国的污染：人为的，即使从太空也看得见”的报道称，中国除了黑龙江、西藏和海南三个省份外，其余省份空气中的PM2.5值全年平均都超出了世界卫生组织定下的安全水平，即每立方米10微克。都超标、不安全。其中，山东与河南的情况最为严重，PM2.5含量超过每立方米50微克，比安全水平高出四倍。 图23-1是2013年2月24日北京城区的空气质量报告。
2.1死亡率增高
关于PM2.5死亡风险的数据源自2002年发表于《美国医学会杂志》的论文。该项在美国进行的前瞻性研究始于1982年，当时招募了120万的参与者。论文的结论是基于长达16年的随访数据，发现死亡率升高与PM2.5有关联,尤其是心肺疾病和肺癌死亡率升高[1]。WHO2005《空气质量准则》指出，当PM2.5年均浓度达到每立方米35微克时，人的死亡风险比每立方米10微克约增加15%。联合国环境规划署报告：PM2.5每立方米的浓度上升20微克，中国和印度每年会有约34万人死亡。
2.2住院率增高
根据哈佛大学公共卫生学院(HSPH)的一项新研究报道，长期暴露于细微颗粒物空气污染后，年龄较长的成年人因肺、心脏疾病、卒中、糖尿病而住院的风险增加。研究结果显示长期空气细微颗粒物暴露与所研究的各种原因的入院率之间均存在关联。研究者发现，长期PM2.5暴露水平每上升10ug/m3，因呼吸系统疾病入院率上升4.22%，因心血管系统疾病入院率增加3.12%，因卒中而入院增加3.49%，因糖尿病而入院增加6.33%[2]。
2.3多系统损害
直径在2.5微米至10微米之间的颗粒物，能够进入上呼吸道，但部分可通过痰液等排出体外，另外也会被鼻腔内部的绒毛阻挡，对人体健康危害相对较小；而粒径在2.5微米以下的细颗粒物，PM2.5属于可被人体吸入呼吸道甚至肺泡的颗粒，除了对呼吸系统产生直接损害之外，其中很多有害成份还会被人体吸收，不经过肝脏解毒直接进入血液循环分布到全身；可以加重呼吸系统疾病，甚至引起充血性心力衰竭和冠状动脉等心脏疾病，对老年人的心梗、心绞痛等心血管疾病会造成一定影响。对生殖系统等全身多系统器官产生危害，其中的有害气体、重金属等溶解在血液中会损害血红蛋白输送氧的能力。PM2.5对机体的影响可分为短期暴露与长期暴露。流行病学调查发现，PM2.5浓度每增加10微克/立方米，缺血性心脏病与充血性心衰患者看急诊或住院的机率即增加0.5%-3.4%，而如果PM2.5的24小时平均浓度超过12.8微克/立方米，心血管疾病病死率即增加0.47%-0.85%。多项研究也均证明，短期暴露会导致多种慢性呼吸道疾病加重，导致看急诊或住院危险增高，包括：COPD、呼吸道感染、哮喘。长期暴露于PM2.5可导致COPD或哮喘患者的肺功能进一步降低，症状进一步加重，甚至会诱发恶性肿瘤或导致胎儿畸变[3] 。其机制可能与一些毒性成份对机体的慢性损害有关。PM2.5还可成为病毒和细菌的载体，为呼吸道传染病的传播推波助澜。
3. PM2.5对哮喘的影响
3.1 PM2.5加重哮喘病情：哮喘是多种细胞及细胞组份共同参与的慢性气道炎症性疾病。多种环境因素包括各种变应原、有害气体、病毒感染、居住的地区、居室的条件、职业因素、气候、药物、运动（过度通气）、食物以及食物添加剂等均可能直接或间接地加重哮喘的病情。空气颗粒污染物暴露与哮喘病情的相关性已被多个流行病学调查所证实[3]。但不同直径的颗粒污染物对哮喘的影响尚未完全确定。研究发现，在成人哮喘患者PM10而非PM2.5的水平与哮喘控制不佳呈正相关[4]。但在儿童哮喘患者，多数研究发现PM2.5是导致病情加重的重要因素。日本学者研究发现，住院的重度儿童哮喘患者的PEF值下降，与室内空气中每日平均PM2.5浓度及一过性的PM2.5浓度增加均呈显著的相关性[5]，这种相关性经过空气中NO2等其它污染物指标校正后仍然存在。提示良好的病房空气质量对哮喘患者的病情恢复具有重要的影响。香港学者研究发现，大气中PM2.5浓度增加与儿童哮喘患者住院率升高明显相关[6]。研究的差异可能由于儿童肺部发育尚未成熟，较成人对空气中的颗粒污染物更加敏感有关。2003-2009年的18项研究提示PM2.5使哮喘患者的气喘、咳嗽、胸部发紧症状加重，急性发作增加，急诊率增加。
3.2 PM2.5是哮喘的病因：空气颗粒污染物不仅是儿童哮喘加重的重要因素，甚至可能是导致哮喘的重要病因。哮喘的发病机制尚未完全阐明，但气道对变应原的超敏反应是比较明确的因素。研究发现，在出生3个月内暴露于含有真菌孢子与花粉的空气颗粒物的儿童，在24个月时出现喘鸣的风险明显增高（校正风险比为3.1）[7]，这提示含有有机变应原成份的空气颗粒污染物很可能是哮喘发病的重要原因。一项时间序列分析表明：PM2.5浓度增加1个四分位距，滞后的呼吸系统疾病:哮喘、COPD、肺炎住院风险为RR=0.998 (95% CI: 0.974, 1.024), 哮喘患者更为突出[8]
3.3 PM2.5明显促进气道炎症：无论是否患有哮喘，离公路越近的儿童eNO越高，与PM2.5呈正相关。暴露于颗粒气体环境中，可以引起肺泡上皮细胞释放炎性介质，并能够引起细胞的毒性反应[9] 汽车尾气是PM2.5的重要来源，住处离繁忙的公路越近的儿童诊断为哮喘的风险越高，哮喘患儿住院风险越高哮喘患儿肺功能下降越明显[10]。
3.4 PM2.5增加哮喘患者AHR-：一项交叉对照研究纳入16名轻至中度哮喘患者，分别暴露于PM2.5浓度300μg/m3的柴油机废气污染空气（DE）或清洁空气（CA）中1小时，24小时后胆碱激发试验显示：暴露于污染环境显著降低哮喘患者的PC20，提示AHR增加[11]。
3.5 PM2.5增加哮喘缓解药物的使用：一项在加拿大不列颠哥伦比亚进行的研究表明：火灾季节，在受火灾影响的地区，PM2.5增加10μg/m3，哮喘缓解药物舒喘灵的使用量明显增加RR=1.06(95%CI：1.04-1.07) [12]
3.6 PM2.5多种成份使哮喘患者肺功能降低：George评估了空气污染对973例美国城市儿童哮喘患者急性呼吸健康状况的影响，发现暴露於单一臭氧、PM2.5、so2、NO、co的平均污染浓度下5天，均可使患者第1和第5 天FEV1、PEFR等肺功能降低，第5天降低更明显。24小时暴露 在PM2.5 of 10 μ/m3浓度下，PEF就会降低[13]。
患重度哮喘的住院儿童的肺功能（PEF）与室内PM2.5浓度明显负相关，PM2.5每升高10 μ/m3，晨夜间PEF降低2.96和4.42升/分。
这提示对于住院患者，病房内的空气污染需关注[3]。
4. PM2.5诱发哮喘加重的机制
4.1 PM2.5与气道炎症
哮喘的气道慢性炎性，导致气道高反应性，出现广泛的多变的可逆性气流受限，引发反复发作的喘息、气急、胸闷、咳嗽等症状。炎症机制在哮喘的发病中发挥重要作用。在人体，通过呼出气一氧化氮（FeNO）等无创性炎症指标监测发现，暴露于PM2.5哮喘患者FeNO明显增高[14] [15]。最新报道表明：暴露于颗粒气体环境中，可以引起肺泡上皮细胞释放炎性介质，并能够引起细胞的毒性反应[16]。深入研究表明：烟雾颗粒的物理机械性撞击即可以引发细胞氧自由基的产生，进而一系列激酶活化，同时诱发细胞凋亡，释放炎性介质等一系列反应[17]。多种炎症因子及IgE等抗体均会促进哮喘的病情。很早就发现汽车柴油尾气的颗粒成分可促进IgE的分泌，并可与变应原联合作用，促进肺部IL-4, -5, IL-6, IL-10, IL-13等Th2细胞因子分泌[18]。一项动物实验比较了正常大鼠与OVA（卵清蛋白）诱发哮喘的大鼠暴露于PM2.5污染空气后的气道反应情况。大鼠暴露于PM2.5浓度542 μg/m3的空气（底特律市）中8小时后，于第18天检测BALF中嗜酸性细胞数量及泌BALF粘蛋白糖蛋白显著增高。说明PM2.5导致哮喘大鼠肺嗜酸性粒细胞及粘液分泌显著增加[19]
4.2 PM2.5的不同成份对哮喘的影响
PM2.5对机体的损害随其成份不同而有所差异。PM2.5反映的是一种混合的空气污染物水平，其成份极为复杂和多样。除了尘粒等无机固态颗粒之外，还可能混有花粉、真菌孢子、微生物等这些变应原成份，以及诸如臭氧（O3）、二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）等多种有害气体。这其中的很多成份都是诱发哮喘加重的重要诱因。变应原是诱发哮喘发作的的重要病因，吸入性变应原可借助空气传播且在生活中随时存在。加拿大学者发现，在PM2.5水平增高时，由花粉诱发的哮喘入院率明显增加[20]。日本学者发现，不同季节的亚洲沙尘暴天气均可诱发哮喘患者呼吸道症状加重和肺功能降低，但在含有松柏药粉的季节患者病情会更加严重[21] ，这提示PM2.5的不同成份对哮喘的加重可能具有联合作用。交通相关空气污染的PM2.5成份中可分为无机碳成份、有机碳成份与其它氧化应激类有害气体等成份。有学者研究发现，交通相关空气污染物诱发的哮喘症状加重和肺功能降低，与PM2.5成份中的汽车尾气相关无机碳成分具有显著相关性，而与PM2.5的颗粒直径与硫磺等成份无明显相关[22]。PM2.5中的有机碳成份如多环芳烃等对气道炎性细胞因子的分泌亦有辅助作用[15]。
4.3不同来源的PM2.5对哮喘的影响
室外与室内不同来源的PM2.5对机体的影响可能不同。人多数时间都是在室内渡过的。由于室内的特殊环境，空气中可能含有更多的尘螨、真菌孢子等常见变应原物质，因此可能更易诱发气道炎症加重。动物试验显示，室外与室内不同来源的PM2.5均会促进大鼠肺泡巨噬细胞分泌TNF-α的水平，但室内的PM2.5表现更为明显[14]。但在哮喘患者的研究发现，室外来源的PM2.5明显诱发儿童哮喘患者的呼出气一氧化氮水平增加，而室内来源的PM2.5则无明显影响[23]。这可能与患者敏感的变应原种类来源而异。如对花粉等室外来源的变应原过敏则应减少室外活动时间，如对尘螨等室内来源的变应原过敏则应尽量出门呼吸室外空气。
4.4PM2.5诱发哮喘的种族易感性:一项横断面研究西班牙裔与非西班牙裔白人、非西班牙裔黑人对PM2.5诱发哮喘的研究显示：在非西班牙裔黑人中，PM2.5浓度增加10 μg/m3对哮喘结局的影响更为显著[24]。
综上，以PM2.5为代表的空气颗粒污染物是导致哮喘加重的重要因素，因此控制空气污染，可能是达到哮喘控制、减少疾病负担的重要措施。
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