大气细颗粒物与心功能的研究进展

侯永丽，秦 纲，任栋华，吕吉元



大气细颗粒物与心功能的研究进展

侯永丽，秦 纲，任栋华，吕吉元

随着经济的发展、人民生活水平的提高，空气污染对健康的影响受到社会各界的日益关注。大气细颗粒物(fine particulate matter，PM2.5)由于粒径小及较大的危害性等特点成为目前研究的热点。PM2.5的短期(数小时或数天)暴露增加了因充血性心力衰竭、心肌梗死、急性冠脉综合征等心血管疾病住院的风险。流行病学调查表明，PM2.5暴露与心力衰竭关系最为密切。本研究综述细颗粒物与心功能的研究进展。

心血管疾病；心力衰竭；PM2.5；心功能

1 大气细颗粒物(fine particulate matter，PM2.5)

大气污染来源可分为自然现象产生和人类活动排放两种，前者包括火山喷发、森林大火及沙尘暴，后者主要包括交通工具燃料燃烧排放的尾气及人类生活、工业活动过程中燃煤、燃油产生的烟尘，其中后者是大气污染的主要来源。

颗粒物(particulate matter，PM)是大气污染物的一种，是指悬浮在大气中的固体或液体颗粒样物质。PM是反映大气质量的重要指标，可造成大气能见度低、酸雨形成，暴露于PM可导致住院率和死亡率的增加[1]。近年来我国各地频繁出现雾霾天气，PM作为雾霾天气的“元凶”，引起了社会各界的重视。PM根据粒径大小分为可吸入颗粒(PM10)、细颗粒物(PM2.5)、超细颗粒物(PM0.1)。PM对人类健康的危害与其粒径有关。PM10的粒径为2.5 μm～10 μm，进入人体后主要沉积在鼻腔和上呼吸道。PM2.5是指粒径≤2.5 μm的颗粒物，其粒径比人一根头发的1/20还细，在PM中占70%[2]。有研究表明，对人类健康危害较大的金属元素主要黏附在粒径≤2.5 μm的PM表面，且PM粒径越小，比表面积越大，表面黏附的金属元素越多[3]。PM2.5由于其粒径小，传输距离远(>100 km)、在大气中停留时间长，并能够进入肺泡发挥毒性作用，因而对大气环境质量和人类健康影响最为严重。流行病学调查显示，与PM10相比，PM2.5对人类健康的危害较大[4]，因此目前对颗粒物的研究主要集中在PM2.5上。2011年我国环境保护部门首次公布中国PM2.5标准，年均及日均水平分别为0.035 mg/m3和0.075mg/m3，2013年我国开始全国范围内监测PM2.5的浓度。

2 心力衰竭

2.1 概述 心力衰竭是指由于心脏结构或功能异常而导致的心排血量不能满足机体组织代谢的需要，临床表现以肺循环或(和)体循环淤血，器官及组织血液灌注不足为主的一组综合征。心力衰竭是一个日益受到重视的公众健康问题，是许多心血管疾病如高血压病、冠心病、心肌病等的终末阶段，全球受其影响的人数超过2 300万。心力衰竭的年住院率为2%，出院后一年内死亡率为30%。在老年病人中，心力衰竭是多次住院的最常见原因，占出院诊断的5%[5]。心力衰竭的主要病因是原发性的心肌损害和心脏负荷过重，前者主要包括缺血性心肌损害、心肌炎、心肌病及心肌代谢障碍性疾病，后者包括后负荷过重(高血压病、主动脉瓣狭窄等)及前负荷过重(心脏瓣膜关闭不全、造成血液分流的先心病等)。对于有基础疾病的病人，其心力衰竭的症状常由增加心脏负荷的因素诱发如感染、心律失常等[6]。

2.2 心力衰竭的病理生理机制 心力衰竭时病理生理变化主要有以下四个方面：①代偿机制： 主要包括Frank-starling机制、神经内分泌系统的激活(交感神经兴奋性增强及肾素-血管紧张素-醛固酮系统激活)及心肌肥厚；②心肌病理性重塑：心肌重塑是心力衰竭发生发展的基本病理机制；③心脏舒张功能不全；④体液因子的改变：心力衰竭时体液因子参与心血管系统的调节，并在心肌和血管重塑中发挥重要作用。这些体液因子包括精氨酸加压素、利钠肽类、内皮素、细胞因子等[7]。有研究表明，心力衰竭时心功能的不断恶化与心肌细胞减少有关，而凋亡是心肌细胞减少的主要原因[8]。

3 PM2.5与人类健康

3.1 PM2.5与心血管疾病 随着社会工业化进展、私家车数量的增加、能源消耗增多，空气污染加剧并逐渐上升为危害人类健康的重要原因。空气污染使老年人患肥胖、高血压、慢性肺疾病及心血管疾病的风险加倍[9]。长期或短期暴露于空气污染会对健康造成各种损害，尤其是心血管系统和呼吸系统。近年来研究显示，PM2.5对心血管系统的危害程度大于呼吸系统[1]。PM2.5急性暴露导致心血管疾病和呼吸系统疾病的死亡风险分别为69%和28%[10]。WHO将PM2.5列为引起全球死亡的第13位原因，每年导致将近80万死亡事件[11]。数据分析表明，PM2.5浓度每增加10 μg/m3，疾病总死亡率风险增加6.2%，心血管疾病死亡率风险增加10.6%[12]。2010年AHA将PM2.5定义为导致心血管疾病发生和死亡的可控危险因素[1]。流行病学研究发现，空气中PM2.5浓度升高易诱发心律失常、动脉粥样硬化等心血管疾病，并使心力衰竭加重和缺血性心脏病恶化[13]。国外学者对50万成年人进行16年随访发现：PM2.5水平升高10.5 μg/m3，缺血性心肌病、心律失常及心脏性猝死的发病风险增加8%～18%[4]。老年人、尚未诊断的冠心病及心脏结构异常的病人是PM2.5致心血管疾病的易感人群，这些人群暴露于PM2.5数小时至数天发生心血管疾病的风险会极大地增加[1]，尤其是暴露于冬季的PM2.5。冬季由于燃煤增多，大气污染更严重，PM2.5表面吸附大量硝酸盐、有机碳(多环芳烃含量多)、金属元素(铅、铁、锌、钒、铝、铬等)等有毒有害物质，对人类健康的危害更大[14]。国外研究表明，老年且有心力衰竭倾向的大鼠暴露于空气污染时易发生心脏复极化异常、心率变异性降低和缓慢心律失常[15]。Ying等[16]发现将大鼠暴露于高浓度的PM2.5 6个月后，大鼠血压升高。有学者对波士顿心血管疾病病人进行随访发现，PM2.5浓度每增加10.5 μg/m3，血压增加2.8 mmHg[4]。空气污染和血压升高都增加了患心血管疾病的风险。

3.2 PM2.5与心力衰竭

3.2.1 PM2.5致心力衰竭的流行病学研究 PM2.5与心力衰竭等心血管疾病的相关性已经成为人们的共识。Dominici等[17]对1999年—2002年某地区住院病人进行统计分析发现，接触PM2.5和心力衰竭的关系最密切。一项关于PM2.5短期暴露与心力衰竭风险的调查显示：PM2.5每增加10 μg/m3，因心力衰竭住院或死亡的风险将增加2.12%，患有充血性心力衰竭、高血压、心律失常的病人处于最高风险[18]。PM2.5长期暴露与心力衰竭发病率的关系还有待进一步研究。国外学者调查发现，PM2.5浓度降低至5.8 μg/m3，美国每年因心力衰竭住院的人数减少了7 978例，并可减少了将近3亿美元的医疗投入[18]。

3.2.2 PM2.5致心力衰竭的实验室研究 Yan等[19]对异丙肾上腺素诱导的心肌损伤的大鼠气管内滴注柴油燃烧颗粒(DEPs粒径大约0.2 μm，是PM2.5的主要组分)，对照组给予生理盐水气管滴注，24 h后行心脏超声检查发现，DEPs组大鼠缩短分数明显降低，左室舒张末内径明显增大。心脏超声结果表明急性暴露于DEPs导致大鼠左室功能受损，对于已有心肌损伤的大鼠，左室功能受损更显著。这一结果预示着对于处在心功能代偿期的病人，暴露于PM2.5会诱发心功能的恶化，导致心功能失代偿，出现心力衰竭的症状及体征，进而需要住院治疗。国外学者将正常小鼠暴露于PM2.5长达9个月后发现，小鼠心率、血压都有明显升高，心脏超声结果示左室舒张末内径及收缩末内径增加，收缩期左室后壁增厚减少，二尖瓣E/A比值降低，这一系列结果表明心肌收缩舒张功能都有一定程度的减弱。对心肌细胞体外实验发现，细胞收缩舒张功能受损。实验证据表明正常大鼠长期暴露于PM2.5后出现早期心力衰竭的心脏结构功能的改变[20]。国内学者对心肌梗死模型大鼠气管滴注PM2.5溶液后发现，与对照组相比PM2.5溶液组大鼠心功能恶化加剧，短期死亡率增加[21]。

3.2.3 PM2.5致心力衰竭的可能机制 虽然PM2.5引起心功能的减退是肯定的，但具体机制尚未完全阐明。大量实验室证据表明，PM2.5导致的失代偿性心力衰竭可能与交感神经过度激活及血管收缩舒张功能异常有关[5]。PM能够迅速激活交感神经、抑制副交感神经，影响自主神经的平衡，进而导致呼吸节律、心率、心率变异性的改变。

心率变异性是反映心脏自主神经调节功能的指标。心率变异性的降低预示着心脏自主调节功能紊乱，因心律失常而发生猝死的风险增加[22]。短期或长期暴露于空气中的PM2.5破坏内皮依赖的血管舒张功能。短期研究表明肺吸入PM2.5数小时后，白细胞释放髓过氧化物酶(MPO)导致血管功能紊乱[23]，血液中MPO浓度越高对血管内皮功能破坏越严重。长期研究显示暴露于PM2.510周后，全身血管阻力和血压都增高[24]，心脏后负荷加重，急性失代偿性心力衰竭风险增加。PM2.5可通过促进心肌病理性重构及心肌纤维化使有心脏基础病变的病人心功能进一步恶化[20]。Aztatzi等[25]对暴露于PM2.5的SD大鼠进行分子生物学机制上的研究发现，长期暴露于PM2.5可诱导SD大鼠肺脏及心脏RAAS相关基因的表达，血管紧张素Ⅰ型受体(AT1R)是PM作用的分子靶点。血管紧张素Ⅱ主要通过激活AT1R发挥生理作用。在心血管疾病如高血压、动脉粥样硬化、心肌梗死及心力衰竭的发生发展过程中都有RAAS的过度激活。Cao等[26]在研究PM2.5对大鼠心肌细胞H9c2毒性作用时发现，大鼠心肌细胞暴露于PM2.5时，心肌细胞活性下降，细胞凋亡率增加，PM2.5可通过下调Bcl-2/Bax比值、激活caspase-3及MAPK信号通路诱导细胞凋亡。PM2.5还可通过促进氧化应激、肺部及系统的炎症反应、血管内皮功能紊乱、动脉粥样硬化及血液高凝血栓形成等途径损伤心血管系统[1]。

4 结 语

全球漫延的大气污染增加了数百万易感人群心血管疾病的发病风险。空气污染导致的心血管疾病是最严重的全球健康问题之一。PM2.5是诱发和加重心血管疾病尤其是心力衰竭的重要危险因素，但其具体致病机制尚不明确，因此对PM2.5致心力衰竭的机制研究显得尤为重要，这样才能有效预防和治疗PM2.5对人类健康的危害，从而提高人类健康水平。

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(本文编辑王雅洁)

山西省自然科学基金项目(No.2013011050-4)；山西省留学人员科研资助项目(No.2013-112)

山西医科大学第一医院(太原030001 )

吕吉元，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：侯永丽，秦纲，任栋华，等.大气细颗粒物与心功能的研究进展[J].中西医结合心脑血管病杂志，2016，14(21)：2505-2507.