PM2.5对肺表面活性物质相关蛋白影响的研究进展

彭娟娟，张星亮，2，张玲莉，刘菊满，陈银慧，谭建新

(1广东医科大学附属医院，广东湛江524000，2深圳市儿童医院)

随着我国工业化快速发展和城市化进程的不断推进，大气污染日益严重。大气中存在的各种固态和液态颗粒状物质总称为大气颗粒物(PM)，是影响城市环境的主要大气污染物之一。PM进入人体后，会对机体造成什么样的损伤，主要取决于PM的粒径、理化性质、化学组成、机体的营养以及免疫状态等多种因素。PM的空气动力学等效直径(粒径)为0.005～100 μm，粒径越小，它所能进入人体呼吸系统的部位越深，越易造成严重危害。PM2.5是一类粒径≤2.5 μm的大气细颗粒物，主要来源于汽车尾气、工业废气、香烟烟雾、生物燃料等人为活动产物，其组成十分复杂，表面富集大量无机和有机成分，可携带大量有毒有害物质[1]。与粗颗粒物相比，细颗粒物更容易富集较多有毒和有害物质，故对机体健康的危害程度也远远超出粗颗粒物[2]。

PM2.5粒径较小，在大气中的存留时间比较长，其吸附的细菌、真菌、病毒和芽孢等有毒有害物质可进入呼吸道深部，并沉积于各级支气管和肺泡表面，直接破坏呼吸道和肺泡上皮细胞，从而影响肺功能[3]。尽管淋巴系统可以去除部分沉积在肺组织及肺泡上皮细胞的PM2.5，但仍有一些PM2.5可以直接作用于肺部毛细血管，影响血管及血管内皮细胞，导致炎性细胞因子的产生；甚至通过血液循环到达全身各个系统，导致肺外器官特别是心血管系统的损伤[4]。有研究显示，暴露于PM与肺和心血管疾病发病率的增加、不良分娩等均有关[5]。目前研究较多的是PM2.5对肺泡Ⅱ型上皮细胞表达分泌的肺表面活性物质相关蛋白(SP)的影响[6]。现将SP的基本特性与功能以及PM2.5对SP影响的相关研究进展综述如下。

1 SP的基本特性与功能

肺表面活性物质(PS)是由肺泡Ⅱ型上皮细胞合成分泌的脂蛋白复合物，分布于肺泡气-液界面。SP可分为亲水性蛋白(包括SPA、SPD)与疏水性蛋白(包括SPB、SPC)。

1.1 亲水性蛋白SPA和SPD SPA与SPD均为凝集素超家族成员，二者单体结构相似，均包含钙离子依赖的C型糖基识别区(CRD)和重复表达Gly-X-Y的胶原样区。SPA和SPD已被证明是对抗呼吸道病原体和过敏原的重要宿主防御组分[7]。敲除SPA和SPD基因表达的小鼠均表现出对抗细菌和病毒能力下降以及炎症加剧[8]。SPA和SPD的表达和功能异常与肺炎、哮喘、急性呼吸窘迫综合征、慢性阻塞性肺疾病、肺癌等多种肺部疾病的发生和发展有关[9]。SPA是SP中表达量最丰富的蛋白组分，具有维持肺泡内环境稳态和调节免疫功能等作用，如参与病原体和凋亡细胞的凝集和吞噬，免疫调理，迁移、募集和活化吞噬细胞，调节表面活性剂的代谢等。SPA各结构域对于其功能的发挥作用不同。如顶部结构域CRD能结合并凝集病原体，而尾部胶原样结构域则参与吞噬细胞的募集和随后凝集的病原体的吞噬作用[7]。SPD亦具有调理素作用，可以调节炎症反应，抵抗细菌、真菌和病毒，同时在表面活性物质转换与稳态维持方面发挥重要作用。

1.2 疏水性蛋白SPB和SPC SPB和SPC的主要作用是降低肺泡气-液界面处的表面张力、提高肺的顺应性。SPB为肺发育、肺泡成熟及新生儿出生后的呼吸适应所必需的蛋白质。SPB在小鼠和人体中的完全缺乏可导致呼吸窘迫综合征，其病理特征为肺顺应性缺失、层状体高度紊乱、SPC成熟肽水平显著降低[10]。SPB和SPA可以通过协同作用促进PS板层体结构转化为管髓体结构，是管髓体形成的必需成分。在管髓体中SPB有优先定位作用，使PS发挥降低表面张力的效应。SPC可以促进磷脂吸附和分布到肺泡气-液界面，促进磷脂单分子层的形成，促使表面活性分子进入气-液界面，提高表面活性物质磷脂的表面活性，保持交界面磷脂膜的动态平衡。SPC前体经过翻译后剪切修饰变成含79个氨基酸的成熟体，可调节胞吐作用和表面活性剂脂质同SPB一起分泌到肺泡中。疏水性SPB和SPC在基因和蛋白质水平表达异常可以引起肺脏功能异常，引发相关疾病。

2 PM2.5对SP的影响

PM2.5能深入并沉积于肺泡，直接与肺泡上皮细胞发生相互作用[11]。PM2.5吸入肺部首先接触的是肺泡上的PS[12]，进而对位于肺泡气-液界面的SP产生影响。

2.1 PM2.5对亲水性SPA和SPD的影响 PM2.5能与人肺泡灌洗液中的二棕榈酰磷脂酰胆碱和多种氨基酸牢固结合，其中氨基酸的来源蛋白包括SPA和SPD[13]；吸入的PM含有细菌脂多糖(LPS)，而LPS中脂质A能特异性结合SPA[14]；元素碳(EC)在PM2.5中占很大比例，它能与人肺泡灌洗液中的SPD结合[15]。以上研究均提示PM2.5能结合SPA和SPD，并可能引起它们的表达水平和功能的异常。

柴油机尾气颗粒物(DEP)是PM2.5的主要来源之一。研究显示，小鼠暴露于0.5 mg/m3DEP(4 h/d，连续5 d)后，SPA蛋白及mRNA表达均明显下降，SPD蛋白及mRNA表达呈轻微下降，但没有统计学差异；而暴露于2 mg/m3DEP后，SPA和SPD蛋白及mRNA表达均没有明显改变[16]。Ciencewicki等[17]报道，与暴露于空气的小鼠相比，暴露于0.5 mg/m3DEP的小鼠肺组织SPA和SPD蛋白及mRNA表达均明显降低，甲型流感的易感性增强；但暴露于2 mg/m3DEP的小鼠SPA和SPD蛋白表达变化不明显，甲型流感的易感性无明显改变；认为小鼠肺组织中SPA和SPD蛋白表达下降与DEP所导致的流感病毒易感性增强之间存在密切关系。石步云[6]报道，给予小鼠10 μg PM2.5气管滴注24 h后，小鼠肺组织SPA蛋白表达上升；而50 μg和100 μg PM2.5处理后，SPA蛋白表达明显下调；电镜结果显示，高浓度PM2.5可以通过氧化应激损伤小鼠肺泡Ⅱ型上皮细胞，破坏板层小体形态结构，导致肺组织SPA表达下调。Aztatzi-Aguilar等[18]报道，与过滤空气组相比，大鼠急性暴露于PM2.5(5 h/d，连续3 d)后，肺SPA表达呈微弱下降趋势，亚慢性暴露于PM2.5(5 h/d，4 d/周，连续8周)后，SPA表达显著下降。

不少细胞实验也证实了PM2.5可影响SPA和SPD的表达。A549细胞株源于人肺腺癌，但拥有肺泡Ⅱ型上皮细胞的特征，长期以来被认为是适合的上皮肺泡模型，广泛应用于肺上皮细胞与PM之间相互关系的研究[11]。Vattanasit等[19]发现，与对照组相比，25 μg/mL DEP处理A549后，SPA mRNA表达升高，但50、75、100 μg/mL DEP处理后，SPA mRNA表达呈逐渐下降的趋势，但没有统计学意义；在类淋巴母细胞株RPMI1788上进行同样的实验，得到类似的结果。以上研究提示，PM2.5对SP的影响与PM2.5的浓度和暴露时间有关。

PM2.5除了能影响SPA和SPD表达水平，还能影响它们的生物功能。SPA和SPD结合纳米颗粒物(<100 nm)能调控细胞对这些颗粒物的吸收，并且颗粒物能调节SPA和SPD对抗病毒的能力[20]。

由此可见，PM2.5对SP的影响是复杂的，这可能与PM2.5的成分多样且不同来源地PM2.5各成分比例存在差异有关，因此研究PM2.5不良反应的同时需明确当地PM2.5的具体特征。

2.2 PM2.5对疏水性SPB和SPC影响 虽然疏水性SPB和SPC在SP中比重远低于SPA和SPD，但在将脂类插入到肺泡表面单层脂膜和提高肺泡Ⅱ型上皮细胞吸收囊泡方面发挥重要作用[21]。SPB和SPC表达异常可对肺功能产生严重影响。目前关于PM对SPB和SPC影响的研究非常少。Bai等[22]发现，PM1(粒径<1 μm)可导致小鼠肺泡Ⅱ型上皮细胞MLE-12氧化损伤和自噬，通过蛋白免疫印迹法可观察到PM1处理后SPB和SPC蛋白表达明显降低，加入抗氧化剂或者金属螯合剂后再用PM1处理细胞，活性氧ROS、自噬水平、SPB和SPC蛋白表达水平均被明显抑制。

3 PM2.5影响SP表达水平的分子机制

PM2.5或者DEP影响SP表达的分子机制尚不明确。Vattanasit等[19]认为，DEP导致SPA表达下降可能存在两方面的原因：一方面，中高浓度DEP能引起肺损伤从而导致蛋白表达下降；另一方面，DEP能间接抑制调控SPA表达的活化T细胞核因子(NFAT)，使肺表面活性蛋白转录水平下调。PM2.5吸附的多种病原微生物含有脂磷壁酸或者LPS[23]。脂磷壁酸能时间依赖性地增加细胞核内转录因子NF-κB表达，通过MEK1/2-ERK1/2-NF-κB途径诱导人肺泡Ⅱ型上皮细胞中SPA表达[24]。而LPS能激活细胞核内转录激活因子AP-1，通过MyD88-MEK4-JNK1-AP-1信号途径诱导人肺泡Ⅱ型上皮细胞中SPA基因表达[25]。这些研究提示，PM2.5或DEP也可能通过激活特定的信号通路影响SPA表达，然而是否通过同样信号通路影响SPB、SPC和SPD表达尚不清楚。

研究显示，PM2.5对SP表达的影响可能与炎症介质相关。Riva等[26]报道，低剂量PM2.5可诱导健康小鼠的肺部炎症与肺部损伤。Shukla等[27]报道，PM2.5可致人或小鼠肺部炎症反应，从而使肺组织中促炎因子IL-6和TNF-α升高。Doumanov等[28]发现，将IL-6加入A549细胞，细胞中SPA表达发生了改变，IL-6浓度与SPA蛋白表达水平呈负相关。以上研究提示，高剂量DEP可能通过增加IL-6表达抑制SPA表达。然而Vattanasit等[19]报道，不同浓度DEP处理的RPMI1788和A549细胞中，IL-6与SPA mRNA表达无明显相关性。因此，PM2.5是否通过影响炎症因子或细胞因子进而干预SP的表达有待更多的研究探讨。

此外，A549细胞暴露于PM2.5导致大量活性氧簇(ROS)产生，造成细胞严重的氧化损伤和毒性[29]。Libalova等[30]发现，来源于PM的可萃取有机物成分可诱导ROS产生。ROS能引起细胞和组织内许多信号通路网络改变，但是目前尚不明确PM2.5诱导的ROS能否直接或间接影响SP表达及功能。

4 小结

大气细颗粒物通过吸入沉积于肺泡，对肺泡上皮细胞气-液界面上肺表面活性物质，尤其是SP，产生严重影响，进而造成肺组织损伤，引起呼吸系统等的疾病。只是由于PM本身的复杂性，导致研究结果的多样化，更增加了对大气细颗粒物损害机制的研究难度。目前PM2.5对于SP的毒副作用及内在的分子机制的研究可能是一个突破口，通过对肺泡灌洗液中SP改变的研究，逆向寻找到合适的分子标志物用于评估大气细颗粒物所致的肺泡乃至呼吸系统的损伤程度，或通过研发一些保护和增强SP的药物或方法来预防或治疗大气细颗粒物对肺组织造成的损伤，帮助人们更好地应对大气污染物尤其PM2.5对健康的危害。