大氣細(xì)顆粒物與心功能的研究進(jìn)展

侯永麗，秦 綱，任棟華，呂吉元

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大氣細(xì)顆粒物與心功能的研究進(jìn)展

侯永麗，秦 綱，任棟華，呂吉元

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、人民生活水平的提高，空氣污染對健康的影響受到社會各界的日益關(guān)注。大氣細(xì)顆粒物(fine particulate matter，PM2.5)由于粒徑小及較大的危害性等特點成為目前研究的熱點。PM2.5的短期(數(shù)小時或數(shù)天)暴露增加了因充血性心力衰竭、心肌梗死、急性冠脈綜合征等心血管疾病住院的風(fēng)險。流行病學(xué)調(diào)查表明，PM2.5暴露與心力衰竭關(guān)系最為密切。本研究綜述細(xì)顆粒物與心功能的研究進(jìn)展。

心血管疾病；心力衰竭；PM2.5；心功能

1 大氣細(xì)顆粒物(fine particulate matter，PM2.5)

大氣污染來源可分為自然現(xiàn)象產(chǎn)生和人類活動排放兩種，前者包括火山噴發(fā)、森林大火及沙塵暴，后者主要包括交通工具燃料燃燒排放的尾氣及人類生活、工業(yè)活動過程中燃煤、燃油產(chǎn)生的煙塵，其中后者是大氣污染的主要來源。

顆粒物(particulate matter，PM)是大氣污染物的一種，是指懸浮在大氣中的固體或液體顆粒樣物質(zhì)。PM是反映大氣質(zhì)量的重要指標(biāo)，可造成大氣能見度低、酸雨形成，暴露于PM可導(dǎo)致住院率和死亡率的增加[1]。近年來我國各地頻繁出現(xiàn)霧霾天氣，PM作為霧霾天氣的“元兇”，引起了社會各界的重視。PM根據(jù)粒徑大小分為可吸入顆粒(PM10)、細(xì)顆粒物(PM2.5)、超細(xì)顆粒物(PM0.1)。PM對人類健康的危害與其粒徑有關(guān)。PM10的粒徑為2.5 μm～10 μm，進(jìn)入人體后主要沉積在鼻腔和上呼吸道。PM2.5是指粒徑≤2.5 μm的顆粒物，其粒徑比人一根頭發(fā)的1/20還細(xì)，在PM中占70%[2]。有研究表明，對人類健康危害較大的金屬元素主要黏附在粒徑≤2.5 μm的PM表面，且PM粒徑越小，比表面積越大，表面黏附的金屬元素越多[3]。PM2.5由于其粒徑小，傳輸距離遠(yuǎn)(>100 km)、在大氣中停留時間長，并能夠進(jìn)入肺泡發(fā)揮毒性作用，因而對大氣環(huán)境質(zhì)量和人類健康影響最為嚴(yán)重。流行病學(xué)調(diào)查顯示，與PM10相比，PM2.5對人類健康的危害較大[4]，因此目前對顆粒物的研究主要集中在PM2.5上。2011年我國環(huán)境保護(hù)部門首次公布中國PM2.5標(biāo)準(zhǔn)，年均及日均水平分別為0.035 mg/m3和0.075mg/m3，2013年我國開始全國范圍內(nèi)監(jiān)測PM2.5的濃度。

2 心力衰竭

2.1 概述 心力衰竭是指由于心臟結(jié)構(gòu)或功能異常而導(dǎo)致的心排血量不能滿足機(jī)體組織代謝的需要，臨床表現(xiàn)以肺循環(huán)或(和)體循環(huán)淤血，器官及組織血液灌注不足為主的一組綜合征。心力衰竭是一個日益受到重視的公眾健康問題，是許多心血管疾病如高血壓病、冠心病、心肌病等的終末階段，全球受其影響的人數(shù)超過2 300萬。心力衰竭的年住院率為2%，出院后一年內(nèi)死亡率為30%。在老年病人中，心力衰竭是多次住院的最常見原因，占出院診斷的5%[5]。心力衰竭的主要病因是原發(fā)性的心肌損害和心臟負(fù)荷過重，前者主要包括缺血性心肌損害、心肌炎、心肌病及心肌代謝障礙性疾病，后者包括后負(fù)荷過重(高血壓病、主動脈瓣狹窄等)及前負(fù)荷過重(心臟瓣膜關(guān)閉不全、造成血液分流的先心病等)。對于有基礎(chǔ)疾病的病人，其心力衰竭的癥狀常由增加心臟負(fù)荷的因素誘發(fā)如感染、心律失常等[6]。

2.2 心力衰竭的病理生理機(jī)制 心力衰竭時病理生理變化主要有以下四個方面：①代償機(jī)制： 主要包括Frank-starling機(jī)制、神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)的激活(交感神經(jīng)興奮性增強(qiáng)及腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)激活)及心肌肥厚；②心肌病理性重塑：心肌重塑是心力衰竭發(fā)生發(fā)展的基本病理機(jī)制；③心臟舒張功能不全；④體液因子的改變：心力衰竭時體液因子參與心血管系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，并在心肌和血管重塑中發(fā)揮重要作用。這些體液因子包括精氨酸加壓素、利鈉肽類、內(nèi)皮素、細(xì)胞因子等[7]。有研究表明，心力衰竭時心功能的不斷惡化與心肌細(xì)胞減少有關(guān)，而凋亡是心肌細(xì)胞減少的主要原因[8]。

3 PM2.5與人類健康

3.1 PM2.5與心血管疾病 隨著社會工業(yè)化進(jìn)展、私家車數(shù)量的增加、能源消耗增多，空氣污染加劇并逐漸上升為危害人類健康的重要原因?？諝馕廴臼估夏耆嘶挤逝帧⒏哐獕骸⒙苑渭膊〖靶难芗膊〉娘L(fēng)險加倍[9]。長期或短期暴露于空氣污染會對健康造成各種損害，尤其是心血管系統(tǒng)和呼吸系統(tǒng)。近年來研究顯示，PM2.5對心血管系統(tǒng)的危害程度大于呼吸系統(tǒng)[1]。PM2.5急性暴露導(dǎo)致心血管疾病和呼吸系統(tǒng)疾病的死亡風(fēng)險分別為69%和28%[10]。WHO將PM2.5列為引起全球死亡的第13位原因，每年導(dǎo)致將近80萬死亡事件[11]。數(shù)據(jù)分析表明，PM2.5濃度每增加10 μg/m3，疾病總死亡率風(fēng)險增加6.2%，心血管疾病死亡率風(fēng)險增加10.6%[12]。2010年AHA將PM2.5定義為導(dǎo)致心血管疾病發(fā)生和死亡的可控危險因素[1]。流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，空氣中PM2.5濃度升高易誘發(fā)心律失常、動脈粥樣硬化等心血管疾病，并使心力衰竭加重和缺血性心臟病惡化[13]。國外學(xué)者對50萬成年人進(jìn)行16年隨訪發(fā)現(xiàn)：PM2.5水平升高10.5 μg/m3，缺血性心肌病、心律失常及心臟性猝死的發(fā)病風(fēng)險增加8%～18%[4]。老年人、尚未診斷的冠心病及心臟結(jié)構(gòu)異常的病人是PM2.5致心血管疾病的易感人群，這些人群暴露于PM2.5數(shù)小時至數(shù)天發(fā)生心血管疾病的風(fēng)險會極大地增加[1]，尤其是暴露于冬季的PM2.5。冬季由于燃煤增多，大氣污染更嚴(yán)重，PM2.5表面吸附大量硝酸鹽、有機(jī)碳(多環(huán)芳烴含量多)、金屬元素(鉛、鐵、鋅、釩、鋁、鉻等)等有毒有害物質(zhì)，對人類健康的危害更大[14]。國外研究表明，老年且有心力衰竭傾向的大鼠暴露于空氣污染時易發(fā)生心臟復(fù)極化異常、心率變異性降低和緩慢心律失常[15]。Ying等[16]發(fā)現(xiàn)將大鼠暴露于高濃度的PM2.5 6個月后，大鼠血壓升高。有學(xué)者對波士頓心血管疾病病人進(jìn)行隨訪發(fā)現(xiàn)，PM2.5濃度每增加10.5 μg/m3，血壓增加2.8 mmHg[4]?？諝馕廴竞脱獕荷叨荚黾恿嘶夹难芗膊〉娘L(fēng)險。

3.2 PM2.5與心力衰竭

3.2.1 PM2.5致心力衰竭的流行病學(xué)研究 PM2.5與心力衰竭等心血管疾病的相關(guān)性已經(jīng)成為人們的共識。Dominici等[17]對1999年—2002年某地區(qū)住院病人進(jìn)行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，接觸PM2.5和心力衰竭的關(guān)系最密切。一項關(guān)于PM2.5短期暴露與心力衰竭風(fēng)險的調(diào)查顯示：PM2.5每增加10 μg/m3，因心力衰竭住院或死亡的風(fēng)險將增加2.12%，患有充血性心力衰竭、高血壓、心律失常的病人處于最高風(fēng)險[18]。PM2.5長期暴露與心力衰竭發(fā)病率的關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。國外學(xué)者調(diào)查發(fā)現(xiàn)，PM2.5濃度降低至5.8 μg/m3，美國每年因心力衰竭住院的人數(shù)減少了7 978例，并可減少了將近3億美元的醫(yī)療投入[18]。

3.2.2 PM2.5致心力衰竭的實驗室研究 Yan等[19]對異丙腎上腺素誘導(dǎo)的心肌損傷的大鼠氣管內(nèi)滴注柴油燃燒顆粒(DEPs粒徑大約0.2 μm，是PM2.5的主要組分)，對照組給予生理鹽水氣管滴注，24 h后行心臟超聲檢查發(fā)現(xiàn)，DEPs組大鼠縮短分?jǐn)?shù)明顯降低，左室舒張末內(nèi)徑明顯增大。心臟超聲結(jié)果表明急性暴露于DEPs導(dǎo)致大鼠左室功能受損，對于已有心肌損傷的大鼠，左室功能受損更顯著。這一結(jié)果預(yù)示著對于處在心功能代償期的病人，暴露于PM2.5會誘發(fā)心功能的惡化，導(dǎo)致心功能失代償，出現(xiàn)心力衰竭的癥狀及體征，進(jìn)而需要住院治療。國外學(xué)者將正常小鼠暴露于PM2.5長達(dá)9個月后發(fā)現(xiàn)，小鼠心率、血壓都有明顯升高，心臟超聲結(jié)果示左室舒張末內(nèi)徑及收縮末內(nèi)徑增加，收縮期左室后壁增厚減少，二尖瓣E/A比值降低，這一系列結(jié)果表明心肌收縮舒張功能都有一定程度的減弱。對心肌細(xì)胞體外實驗發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞收縮舒張功能受損。實驗證據(jù)表明正常大鼠長期暴露于PM2.5后出現(xiàn)早期心力衰竭的心臟結(jié)構(gòu)功能的改變[20]。國內(nèi)學(xué)者對心肌梗死模型大鼠氣管滴注PM2.5溶液后發(fā)現(xiàn)，與對照組相比PM2.5溶液組大鼠心功能惡化加劇，短期死亡率增加[21]。

3.2.3 PM2.5致心力衰竭的可能機(jī)制 雖然PM2.5引起心功能的減退是肯定的，但具體機(jī)制尚未完全闡明。大量實驗室證據(jù)表明，PM2.5導(dǎo)致的失代償性心力衰竭可能與交感神經(jīng)過度激活及血管收縮舒張功能異常有關(guān)[5]。PM能夠迅速激活交感神經(jīng)、抑制副交感神經(jīng)，影響自主神經(jīng)的平衡，進(jìn)而導(dǎo)致呼吸節(jié)律、心率、心率變異性的改變。

心率變異性是反映心臟自主神經(jīng)調(diào)節(jié)功能的指標(biāo)。心率變異性的降低預(yù)示著心臟自主調(diào)節(jié)功能紊亂，因心律失常而發(fā)生猝死的風(fēng)險增加[22]。短期或長期暴露于空氣中的PM2.5破壞內(nèi)皮依賴的血管舒張功能。短期研究表明肺吸入PM2.5數(shù)小時后，白細(xì)胞釋放髓過氧化物酶(MPO)導(dǎo)致血管功能紊亂[23]，血液中MPO濃度越高對血管內(nèi)皮功能破壞越嚴(yán)重。長期研究顯示暴露于PM2.510周后，全身血管阻力和血壓都增高[24]，心臟后負(fù)荷加重，急性失代償性心力衰竭風(fēng)險增加。PM2.5可通過促進(jìn)心肌病理性重構(gòu)及心肌纖維化使有心臟基礎(chǔ)病變的病人心功能進(jìn)一步惡化[20]。Aztatzi等[25]對暴露于PM2.5的SD大鼠進(jìn)行分子生物學(xué)機(jī)制上的研究發(fā)現(xiàn)，長期暴露于PM2.5可誘導(dǎo)SD大鼠肺臟及心臟RAAS相關(guān)基因的表達(dá)，血管緊張素Ⅰ型受體(AT1R)是PM作用的分子靶點。血管緊張素Ⅱ主要通過激活A(yù)T1R發(fā)揮生理作用。在心血管疾病如高血壓、動脈粥樣硬化、心肌梗死及心力衰竭的發(fā)生發(fā)展過程中都有RAAS的過度激活。Cao等[26]在研究PM2.5對大鼠心肌細(xì)胞H9c2毒性作用時發(fā)現(xiàn)，大鼠心肌細(xì)胞暴露于PM2.5時，心肌細(xì)胞活性下降，細(xì)胞凋亡率增加，PM2.5可通過下調(diào)Bcl-2/Bax比值、激活caspase-3及MAPK信號通路誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。PM2.5還可通過促進(jìn)氧化應(yīng)激、肺部及系統(tǒng)的炎癥反應(yīng)、血管內(nèi)皮功能紊亂、動脈粥樣硬化及血液高凝血栓形成等途徑損傷心血管系統(tǒng)[1]。

4 結(jié) 語

全球漫延的大氣污染增加了數(shù)百萬易感人群心血管疾病的發(fā)病風(fēng)險。空氣污染導(dǎo)致的心血管疾病是最嚴(yán)重的全球健康問題之一。PM2.5是誘發(fā)和加重心血管疾病尤其是心力衰竭的重要危險因素，但其具體致病機(jī)制尚不明確，因此對PM2.5致心力衰竭的機(jī)制研究顯得尤為重要，這樣才能有效預(yù)防和治療PM2.5對人類健康的危害，從而提高人類健康水平。

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(本文編輯王雅潔)

山西省自然科學(xué)基金項目(No.2013011050-4)；山西省留學(xué)人員科研資助項目(No.2013-112)

山西醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院(太原030001 )

呂吉元，E-mail： flyms9@126.com

R541 R256.2

A

10.3969/j.issn.1672-1349.2016.21.011

1672-1349(2016)21-2505-03

2015-12-30)

引用信息：侯永麗，秦綱，任棟華，等.大氣細(xì)顆粒物與心功能的研究進(jìn)展[J].中西醫(yī)結(jié)合心腦血管病雜志，2016，14(21)：2505-2507.