不同濃度大氣細(xì)顆粒污染物PM2.5對心臟組織功能的影響*

袁凌珂，章明徐，朱娛，張可珺，鄧少麗△

（1.第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所檢驗科，重慶400042；2.第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所二室，重慶400042；3.重慶市南開中學(xué)400030）

·論著·

不同濃度大氣細(xì)顆粒污染物PM2.5對心臟組織功能的影響*

袁凌珂1，3，章明徐1，朱娛2，張可珺1，鄧少麗1△

（1.第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所檢驗科，重慶400042；2.第三軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院野戰(zhàn)外科研究所二室，重慶400042；3.重慶市南開中學(xué)400030）

目的探討空氣動力學(xué)直徑小于2.5 μm的顆粒（PM2.5）對大鼠心血管系統(tǒng)的影響及PM2.5影響心臟功能的機(jī)制。方法在重慶市區(qū)采集PM2.5，選取雄性Wistar大鼠40只作為研究對象，設(shè)置正常對照組和實驗染毒組［包括PM2.5低濃度組（1.0 mg/0.25 mL）、PM2.5中濃度組（3.0 mg/0.25 mL）、PM2.5高濃度組（8.0 mg/0.25 mL）］每組10只。采用氣管滴注法進(jìn)行PM2.5染毒，觀察各組大鼠心肌組織結(jié)構(gòu)、血清心肌肌鈣蛋白T（cTnT）水平，同時檢測心肌白介素-6（IL-6）、腫瘤壞死因子-α（TNF-α）水平，分析機(jī)體肺灌注PM2.5后心血管系統(tǒng)的炎性反應(yīng)和心臟功能變化。結(jié)果大鼠PM2.5染毒后，不同濃度實驗染毒組大鼠心肌細(xì)胞水腫程度加深，心肌纖維呈波浪狀排列，形態(tài)異常；實驗染毒組大鼠血清cTnT水平明顯高于正常對照組，且與PM2.5濃度呈正相關(guān)（P＜0.05），PM2.5高濃度組大鼠cTnT水平明顯高于PM2.5中、低濃度組，但PM2.5中、低濃度組大鼠cTnT水平無明顯差異。實驗染毒組大鼠心肌組織IL-6、TNF-α水平較正常對照組明顯升高，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），且與PM2.5濃度有關(guān)。結(jié)論PM2.5引起Wistar大鼠心臟組織結(jié)構(gòu)損傷，心血管系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的炎性反應(yīng)，大鼠心臟功能出現(xiàn)損傷，提示PM2.5可能通過炎性反應(yīng)損傷機(jī)體心血管系統(tǒng)，霧霾可能是誘發(fā)心血管疾病的重要原因。

空氣污染；生物因子；心?。恍难芗膊?/p>

我國大氣污染比較嚴(yán)重，目前國內(nèi)外已有較多關(guān)于PM2.5對呼吸系統(tǒng)損傷的文獻(xiàn)報道［1］。有研究結(jié)果顯示，PM2.5與心臟病死亡率有明顯關(guān)系［2］，但PM2.5是否引發(fā)心臟病，其機(jī)制尚不清楚。大氣中的顆粒物分為兩類：空氣動力學(xué)直徑小于10 μm的顆粒（PM10）、空氣動力學(xué)直徑小于2.5 μm的顆粒（PM2.5）。PM2.5也稱為細(xì)顆粒物，是構(gòu)成霾的主要成分，對人體的傷害極大，是導(dǎo)致霧霾天氣的“罪魁禍?zhǔn)住保?］。PM2.5顆粒物表面吸附大

量的有毒、有害物質(zhì)，且能較長時間停留在空氣中，通過呼吸停留在肺泡，并可通過肺換氣到達(dá)其他器官［4］。PM2.5對肺的損害比較明顯，其可以直接進(jìn)入支氣管，影響機(jī)體肺部的氣體交換，造成呼吸系統(tǒng)的損傷，如咳嗽、肺功能降低、慢性支氣管炎、呼吸困難等，PM2.5對呼吸系統(tǒng)的損傷機(jī)制目前已有較多研究［5］。近年來，PM2.5引起人類心血管疾病發(fā)病率和死亡率明顯升高，如引發(fā)缺血性心臟病、充血性心力衰竭、心律失常等，但PM2.5引發(fā)心血管疾病的機(jī)制尚不明確。本研究以Wistar大鼠作為研究對象，旨在探討PM2.5對心臟組織結(jié)構(gòu)和功能的影響。

1　材料與方法

1.1材料40只健康雄性Wistar大鼠購于第三軍醫(yī)大學(xué)實驗動物中心，體質(zhì)量（200.25±14.12）g，飼養(yǎng)在清潔級實驗環(huán)境下。將40只大鼠隨機(jī)分為正常對照組、實驗染毒組［PM2.5低濃度組（1.0 mg/0.25 mL）、PM2.5中濃度組（3.0 mg/0.25 mL）、PM2.5高濃度組（8.0 mg/0.25 mL）］，每組10只。均于室溫（20±1）℃、相對濕度40%～60%條件下飼養(yǎng)7 d，期間給予充足的水和飼料。

1.2試劑與儀器腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、白介素-6（IL-6）酶聯(lián)免疫吸附試驗試劑盒（達(dá)科為生物科技有限公司），心肌肌鈣蛋白T（cTnT）檢測試劑盒（羅氏診斷公司），Mini Vol PM2.5便攜式PM2.5采樣器（美國Air Metrics公司），47 mm玻璃纖維濾膜（美國Air Metrics公司）等。cTnT采用Cobas-e601電化學(xué)發(fā)光免疫分析儀檢測，TNF-α、IL-6采用Thermo MK3酶標(biāo)儀檢測。

1.3方法

1.3.1PM2.5的采集和處理利用PM2.5采樣儀采集重慶市區(qū)2016年1～2月大氣PM2.5，離地5 m以100 L/min流量連續(xù)采集于玻璃纖維濾膜上，剪成1 cm2大小的小塊，置于去離子水中超聲震蕩20 min，重復(fù)3次，功率500 W洗脫顆粒物。6層紗布過濾，除去玻璃纖維濾膜。將濾過液4℃、12 000 r/min離心20 min，收集下層沉淀液，真空冷凍干燥，于-20℃避光保存。PM2.5染毒前，利用生理鹽水將PM2.5制成懸液，超聲振蕩15 min，使懸液混勻并高壓滅菌。

1.3.2PM2.5染毒及大鼠模型的制備適應(yīng)性飼養(yǎng)后，四組大鼠隨機(jī)接受不同的處理因素。實驗染毒組處理流程：乙醚麻醉大鼠，通過氣管滴注給予實驗染毒組無菌PM2.5懸液（0.25 mL）染毒，間隔48 h，連續(xù)染毒3次；正常對照組以乙醚麻醉大鼠，給予單純無菌生理鹽水每只每次0.25 mL。以PM2.5采樣器采集到足夠量的PM2.5，氣管滴注至大鼠制作PM2.5模型，各組大鼠狀態(tài)良好。

1.3.3大鼠心臟組織結(jié)構(gòu)觀察將各組大鼠麻醉后取心臟，4%甲醛固定，常規(guī)脫水、透明，石蠟包埋，切片，蘇木精-伊紅（HE）染色，光鏡下觀察大鼠心臟組織學(xué)結(jié)構(gòu)。

1.3.4心肌組織勻漿、血清制備及指標(biāo)測定末次PM2.5暴露48 h后，腹腔注射水合氯醛（5%，0.6 mL/kg）處死大鼠，立即摘取心臟并稱質(zhì)量，按照1∶9生理鹽水利用勻漿器在冰浴中將其制成10%組織勻漿，4℃、3 000 r/ min離心20min，取上清液分裝成2管，保存于-80℃冰箱中，分別用于測定組織勻漿中IL-6和TNF-α水平。分離大鼠腹主動脈，從腹主動脈末端采血約5mL，將血液標(biāo)本4℃、3 000 r/min離心10 min，取上清液，置于-20℃冰箱中保存，嚴(yán)格按照試劑盒說明書檢測cTnT水平。

1.4統(tǒng)計學(xué)處理應(yīng)用SPSS20.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計量資料以±s表示，采用配對樣本t檢驗。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2　結(jié)果

2.1不同濃度PM2.5對Wistar大鼠心臟形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響正常對照組大鼠心肌纖維呈平行排列，橫紋清晰，細(xì)胞核橢圓形，位于細(xì)胞中央（圖1a）；隨著PM2.5染毒劑量增加，大鼠心肌細(xì)胞逐漸水腫，心肌纖維排列不整齊，高濃度PM2.5組肌纖維呈波浪狀排列，細(xì)胞間隙增寬（圖1b、c、d）。

圖1　四組大鼠心臟組織形態(tài)（HE染色，40×）

2.3不同濃度PM2.5對Wistar大鼠血清cTnT水平的影響大鼠PM2.5染毒后，不同濃度實驗染毒組大鼠血清cTnT水平均明顯高于正常對照組，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.01），且與PM2.5水平呈正相關(guān)（P＜0.01），PM2.5高濃度組血清cTnT明顯高于PM2.5中、低濃度組，但PM2.5中濃度組與PM2.5低濃度組比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。見表1。

表1　不同濃度PM2.5對Wistar大鼠血清cTnT水平的影響

2.4不同濃度PM2.5對Wistar大鼠心肌組織中TNF-α、IL-6表達(dá)的影響實驗染毒組大鼠心肌組織IL-6、TNF-α表達(dá)水平較正常對照組明顯升高，且差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），且與PM2.5水平相關(guān)。見表2。

表2　PM2.5對Wistar大鼠心肌組織中TNF-α、IL-6表達(dá)水平的影響

3　討論

我國霧霾天氣日益嚴(yán)重，不僅影響了生態(tài)環(huán)境，還對人類健康造成極大傷害［6-8］。霧霾的主要成分是PM2.5，其顆粒直徑小，包含的物質(zhì)成分復(fù)雜，形狀不規(guī)則，有強(qiáng)烈的富集作用。PM2.5是控制霧霾天氣的主要指標(biāo)。

大氣PM2.5主要在交通、制造、能源等行業(yè)中的高溫燃燒過程中產(chǎn)生，可經(jīng)呼吸直達(dá)人體肺泡，沉積于肺泡表面，并可透過呼吸屏障進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，隨血流而作用于心血管系統(tǒng)。PM2.5對心血管疾病影響的機(jī)制雖不明確，但近年來有研究結(jié)果顯示，其可能引起心血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷及炎癥細(xì)胞浸潤，使炎性細(xì)胞因子增加，導(dǎo)致心臟組織慢性炎癥，最終損害心肌細(xì)胞結(jié)構(gòu)及功能［9-10］。TNF-α、IL-6是由單核巨噬細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞等分泌的細(xì)胞因子，是引起炎性反應(yīng)的重要介質(zhì)［11］。TNF-α是炎癥中重要的啟動因子，并能調(diào)節(jié)IL-6等其他炎性細(xì)胞因子的釋放，導(dǎo)致組織損傷。IL-6是急性炎癥反應(yīng)的主要標(biāo)志之一，也是一種多細(xì)胞來源并具有復(fù)雜生物學(xué)功能的細(xì)胞因子，具有調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答、參與機(jī)體炎性反應(yīng)和抗感染作用［12］。有研究表明，PM2.5使心肌細(xì)胞炎性細(xì)胞因子水平增加，引起炎性反應(yīng)［13］。從表2中可以看出，PM2.5低、中、高濃度組TNF-α、IL-6表達(dá)水平與正常對照組比較，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），且隨著PM2.5水平的增加，TNF-α、IL-6表達(dá)水平升高，提示霧霾天氣時，心肌組織可產(chǎn)生炎性刺激效應(yīng)。

心肌細(xì)胞損傷后，膜的完整性和通透性改變，使細(xì)胞內(nèi)的大分子物質(zhì)溢出，這些大分子物質(zhì)被稱為心肌損傷標(biāo)志物，cTnT便是其中一種標(biāo)志物，其僅存在于心肌細(xì)胞中，心肌壞死時cTnT釋放進(jìn)入血液，是心肌損傷最特異的診斷指標(biāo)。本研究結(jié)果顯示，PM2.5可引起心肌細(xì)胞損傷，使cTnT水平升高，且其升高程度與PM2.5濃度呈正相關(guān)。

本研究結(jié)果還顯示，PM2.5可能引起心血管系統(tǒng)炎性因子表達(dá)增加，對心肌組織產(chǎn)生炎性刺激，從而導(dǎo)致心臟細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能受到損傷，且損傷程度與PM2.5水平有關(guān)。本文通過不同濃度PM2.5對心肌炎性因子影響及心臟功能的影響，并提出PM2.5可能誘發(fā)炎性細(xì)胞因子水平增加，是心肌細(xì)胞損傷、影響心臟功能的重要原因，本研究目前處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。炎癥及免疫損傷被認(rèn)為是PM2.5影響人體健康的主要機(jī)制之一。但目前人們對PM2.5導(dǎo)致炎癥及免疫損傷的細(xì)胞與分子機(jī)制的了解還相當(dāng)有限，如PM2.5對機(jī)體免疫細(xì)胞及免疫功能的影響仍需進(jìn)一步深入研究。本研究利用短期動物實驗從生物學(xué)角度說明了PM2.5細(xì)顆粒物對心臟的炎性損傷。為了保護(hù)人類健康，我國應(yīng)盡快采取有效措施治理細(xì)小顆粒物污染［13］。

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Effects of different concentrations of airborne fine particulate matter 2.5 on heart tissue function*

Yuan Lingke1，3，Zhang Mingxu1，Zhu Yu2，Zhang Kejun1，Deng Shaoli1△
（1.Department of Clinical Laboratory，Research Institute of Field Surgery，Third Military Medical University，Chongqing 400042，China；2.Second Department，Research Institute of Field Surgery，Third Military Medical University，Chongqing 400042，China；3.Chongqing Nankai Secondary School 400030，China）

ObjectiveTo study the effects of particles of diameter less than μm2.5（PM2.5）in aerodynamics on the cardiovascular system，and to analyze the mechanism of PM2.5 affecting the heart function.MethodsPM2.5 in Chongqing urban region was collected.Forty male Wistar rats were selected as the research subjects and divided into the normal control group and experimental contamination groups［including low concentration PM2.5 group（1.0 mg/0.25 mL），medium concentration PM2.5 group（3.0 mg/0.25 mL），high concentration PM2.5 group（8.0 mg/0.25 mL），10 cases in each group］.The intratracheal instillation method was adopted to conduct the PM2.5 contamination.The rat myocardial tissue structures and serum cTnT level in each group were observed.Meanwhile IL-6 and TNF-α expression levels were detected.The inflammatory reaction of cardiovascular system and cardiac function change were observed after PM2.5 pulmonary perfusion.ResultsThe cardiomyocyte edema degree in each experimental contamination group with different concentrations was deepened，the myocardial fibers had wavy arrangement with morphologic abnormality after PM2.5 contamination；the rat serum cTnT level in the experimental contamination group was significantly higher than thatin the normalcontrol group，moreover which was positively correlated with PM2.5 concentration（P＜0.05），the rat cTnT level in the high PM2.5 concentration group was significantly higher than that in the medium PM2.5 concentration group and low PM2.5 concentration group，but which had no obvious difference between the medium PM2.5 concentration group and low PM2.5 concentration group.The rat myocardial tissue IL-6 and TNF-α expression levels in the experimental contamination groups were significantly increased compared with thenormal control group，the difference was statistically significant（P＜0.05），moreover which were correlated with PM2.5 concentration.ConclusionPM2.5 causes the injury of rat heart tissue structure，inflammatory reactions of cardiovascular system and injure of myocardial function，prompting that PM2.5 may injure the cardiovascular system by the inflammatory reactions.Haze may be an important cause inducing cardiovascular diseases.

Air pollution；Biological factors；Myocardium；Cardiovascular diseases

10.3969/j.issn.1009-5519.2016.19.002

A

1009-5519（2016）19-2942-03

國家高技術(shù)研究發(fā)展“863”計劃（2011AA02A111）。

袁凌珂（2000-），在讀學(xué)生，主要從事環(huán)境與醫(yī)學(xué)健康實踐的學(xué)習(xí)?！?/p>

，E-mail：dengshaoli@tmmu.edu.cn。

（2016-07-12）