PM2.5在肝癌发生发展中的作用

左 飞， 李国东， 刘 明

1 哈尔滨医科大学附属第二医院 普外科， 哈尔滨 150001； 2 哈尔滨医科大学附属第四医院 普外科， 哈尔滨 150001

2013年国际癌症研究机构(IARC)根据足够的人类和实验动物致癌性证据，将空气污染中的颗粒物(PM)归类为一类致癌物质[1]。2014年6月27日，世界卫生组织(WHO)调查数据显示，空气污染已经成为危害人类健康的最主要因素之一，然而目前大量的研究集中在PM2.5与心脑血管疾病、呼吸系统疾病的相关性，而对于其他系统疾病的关注相对较少。

肝癌是世界第四位常见的恶性肿瘤，其中肝细胞癌占原发性肝癌的大多数。由于肝癌起病隐匿预后极差，WHO统计肝癌5年存活率仅为18%[2]。因此探究肝癌的致病因素，从而进行针对性的早期筛查和预防尤为重要。目前HBV感染和黄曲霉毒素已被公认为肝癌的主要原因[3-4]，然而对于空气污染对肝癌的影响的研究相对较少。随着近年的研究发现，PM2.5对肝脏这一主要的解毒代谢器官有直接而深远的影响。为了深入了解其与肝癌之间的关系，本文基于现有的文献资料就PM2.5对肝癌影响的流行病学研究及其机制进行总结归纳，并进一步讨论当前研究中存在的不足及发展方向。

1 PM2.5的定义及其特征

大气中的PM是空气中气溶胶体系中均匀分散的各种固体或液体微粒。PM组成成分非常复杂，包括酸(例如硝酸盐和硫酸盐)、有机化学物质、金属以及土壤或粉尘颗粒，同时PM疏松多孔的物理性质易携带病毒、细菌、花粉等过敏原[5]。PM2.5是空气中悬浮的平均空气动力学直径≤2.5 μm的PM，具体成分因来源不同而不同，并且受国家或地区经济状况、能源结构、管理模式以及季节等各项因素的影响。PM2.5在PM中占有相当大的比重，由于其具有较大的表面积和较低的沉降速度，相较于其他污染物更易吸附有害重金属和有机物，因而具有更高的毒性；PM2.5的特殊物理性质使其能长期停留于大气中，并可进行远距离输送，因此对空气环境和人体健康具有更深远的影响[6]。PM2.5是人类健康的无形威胁，被公认为多种疾病的潜在危险因素[7]。

2 PM2.5的致病机制

由于PM2.5成分非常复杂，其致病过程可能是由氧化应激、炎性反应、免疫紊乱和遗传物质改变等一系列反应共同组成。PM2.5暴露会诱导细胞产生活性氧(ROS)[8]，而ROS作为功能性信号分子可以通过触发Nrf2移位，损伤DNA等生物大分子，激活NF-κB信号通路对细胞产生损害[9]。血液中的炎症因子在暴露于PM2.5后将会升高，且呈明显的剂量—效应关系，同时会引起肝脏产生急性反应蛋白[10]，吸附在PM2.5表面的有害物质可能是其引起炎性反应的主要原因。对于免疫系统，PM2.5可以增加特异性IgE产生，影响NK细胞活性，改变巨噬细胞形态结构，降低其吞噬功能和存活率[11]。PM2.5在进入机体后还可以激活树突状细胞，诱导B淋巴细胞增殖和分化为浆细胞。PM2.5还可造成DNA损伤，目前研究显示PM2.5表面所携带的多环芳烃(PAH)、Cr和硝基化合物被认为是PM2.5携带的主要致癌化合物，如PAH经过体内代谢后与DNA鸟嘌呤外环氨基端共价结合可引起DNA损伤[12]。PM2.5还可抑制DNA修复和增加DNA复制错误，其机制可能是PM2.5表面携带的重金属和醛直接修改DNA复制蛋白从而降低DNA复制的保真度[13]。

3 PM2.5对肝癌发生与发展的影响

研究[14]显示PM2.5吸附的有害物质，可以通过呼吸道到达肺泡并在内部积聚，其中小部分能通过气血屏障进入血液循环从而到达其他组织器官，尤其是肝脏，因为肝脏是外源性化学物质解毒的重要器官。同时当PM2.5通过黏膜纤毛清除作用从呼吸道中清除时，可能会随着吞咽动作进入消化道，从而导致胃肠道暴露于PM2.5，并且在肝脏中观察到不良反应[15]。因此，从生物学角度，暴露于PM2.5可能会影响肝脏功能，从而促进肝脏肿瘤的发生和发展。

3.1 流行病学研究 目前已有流行病学研究显示PM2.5暴露与肝癌发生率之间存在关联。研究显示PM2.5会提高肝癌的发病率，Pan等[16]通过对我国台湾23 820名参与者进行中位时间16.9年的随访，发现PM2.5每增加13 μg/m3，人群肝癌风险增加22%。Pedersen等[17]通过对欧洲174 770名参与者进行平均17年随访，结果显示PM2.5每增加5 μg/m3，人群肝癌风险增加34%。不过这些研究中暴露评估可能没有涵盖与肝癌发展最相关的时间范围，可能使研究的结果产生偏差。同时较高的PM2.5暴露还会降低肝癌生存率，Deng[18]、Lee[19]与Zhang[20]等所做的研究均证实肝癌诊断后暴露于升高的PM2.5可能会缩短生存期，且与暴露浓度呈正相关。

3.2 PM2.5在肝癌中的作用机制

虽然流行病学研究已经证实环境PM2.5暴露增加肝癌的发病率和死亡率，但是PM2.5的肝毒性和相关分子机制尚未得到充分的阐述。目前已有的研究显示，高剂量的PM2.5暴露可能通过改变酶活性，影响基因表达，诱导内质网应激，引起肝脂肪变性和导致肝纤维化而发挥其致癌作用(图1)。

3.2.1 改变肝代谢酶的活性 AST和ALT是肝脏非常重要的代谢酶，是肝损伤的代表性指标。Pan等[16]报道PM2.5暴露呈阳性与肝癌风险有关，并且血液中ALT水平升高可能是PM2.5与肝癌之间关联的中介。Cave等[21]对4582名参与者进行的调查显示，暴露于PM2.5污染环境中的参与者ALT明显偏高，并再对BMI、年龄、性别及胰岛素抵抗等相关指标进行校正后，ALT依旧处于较高水平且对PM2.5剂量具有明显依赖。Kim等[22]报道，暴露于PM 2.5中的人群肝代谢酶显著增加，其中AST增加3.0%、ALT增加3.2%，且与饮酒和运动明显相关。Li等[23]研究显示高浓度的PM2.5激活了大鼠肝脏的细胞色素P450(CYP450)和谷胱甘肽巯基转移酶(GST)，提示PM2.5可能通过激活代谢酶导致肝脏代谢紊乱，进一步促进肝脏毒性。

3.2.2 引起基因表达改变 秦双建等[24]研究发现PM2.5染毒会引起细胞中促癌基因(c-myc、c-fos)表达升高、抑癌基因(p53)和抑凋亡相关基因(Bcl-2)表达降低，提示PM2.5对恶性转化和凋亡可能有促进与激活作用。PM2.5可能会导致DNA甲基化改变，Zhou等[25]研究发现PM2.5作用下会造成p53启动子甲基化程度显著上调，可能的调控机制为PM2.5刺激生成过量ROS，诱导AKT活化，上调DNA家族甲基转移酶(DNMT)3B的表达，抑制p53基因的表达，通过ROS/AKT/DNMT3B信号通路介导启动子甲基化诱导p53基因沉默，进而诱导癌症的发生。

3.2.3 诱导肝脏内质网应激和细胞凋亡 内质网应激反应是一个非常复杂的调控网络，在细胞保护中对各种外源性刺激发挥重要的自我防卫作用。Velasco等[26]发现PM2.5可以激活小鼠肝细胞的ATF6信号通路和刺激内质网应激介导的细胞凋亡。同时他提出了PM2.5可能激活PERK通路，并升高C/EBP同源蛋白(CHOP)水平，进一步导致肝脏内质网应激，并伴有肝

注：IRS，胰岛素受体底物；AKT，蛋白激酶B；ATF-6，活化转录因子6； PERK, 蛋白激酶R样内质网激酶；IRE1，肌醇需求酶1；TRAF2， 肿瘤坏死因子相关受体因子2；JNK，氨基末端激酶。

脏炎症反应和纤维化。CHOP可调控并激活其下游基因TRB3和天冬氨酸蛋白水解酶，进一步激活天冬氨酸蛋白水解酶级联凋亡通路。综合目前的研究显示，PM2.5还可能激活了IRE1/JNK信号通路，进而导致肝脏内质网应激和细胞凋亡。PM2.5对内质网应激介导的炎症反应和肝纤维化的分子机制仍需进一步深入研究。

3.2.4 诱导肝脏脂肪变性 PM2.5可以整合脂质积累、氧化应激、胰岛素抵抗和炎症反应，导致动物模型中非酒精性脂肪性肝病发生。 Haberzettl等[27]研究发现短期暴露于PM2.5可诱导小鼠血管胰岛素抵抗，抑制胰岛素刺激的AKT磷酸化。PM2.5可通过抑制三羧酸循环和刺激糖酵解作用影响小鼠肝脏能量代谢，降低细胞存活率，诱导肝细胞脂质积聚和氧化应激。Xu等[28]研究表明，PM2.5暴露抑制IRS-1/AKT信号通路，导致胰岛素抵抗，从而损害肝脏的糖代谢，IRS-1/AKT信号通路是葡萄糖代谢过程中至关重要的经典胰岛素信号通路。Tan等[29]发现了环境空气PM2.5可以激活Kupffer细胞和常驻肝巨噬细胞，并随后通过产生炎性因子加剧非酒精性脂肪性肝病。以上结果表明PM2.5可能是导致非酒精脂肪肝发展的重要危险因素，而肝脂肪变性是肝癌的危险因素。

3.2.5 触发肝纤维化 肝纤维化是肝脏疾病常见的病理过程，癌症与肝纤维化密切相关[30]。超过80%的肝癌由纤维化或肝硬化的发展导致[31]。Zheng等[32]在2015年首先通过将小鼠模型和特定细胞暴露于PM2.5，发现了PM2.5对肝纤维化的发生有显著的促进作用，其原因可能是PM2.5诱导的炎症反应通过激活转化生长因子β1(TGFβ1)信号通路促进肝脏胶原沉积。Qiu等[33]研究显示PM2.5可能通过增加ROS，激活PINK1/Parking信号通路，诱导线粒体自噬，从而激活造血干细胞，引起肝纤维化。受损线粒体产生的ROS可通过正反馈大量产生，导致细胞内氧化还原代谢失衡，最终导致广泛的线粒体损伤，诱发线粒体自噬，而自噬通过分解脂滴，为肝星状细胞的激活提供能量，从而促进肝纤维化的发生。然而，目前关于PM2.5对肝损伤或纤维化的研究仍非常有限，需要进一步的研究。

3.3 PM2.5的暴露对肝癌预后的影响 浸润和转移是肝癌的典型特征，也是造成肝癌患者预后不良的一个重要因素。PM2.5暴露可促进肝癌细胞的侵袭和迁移，然而目前相关机制的研究相对较少。Zhang等[20]研究显示，其机制可能是通过PI3K/AKT信号通路诱导的基质金属蛋白酶(MMP)13上调。肝癌转移通过复杂的机制发生，在此过程中MMP-13负责细胞外基质降解。MMP-13在肝癌的侵袭和转移中起着至关重要的作用[34]，可以诱导炎性细胞因子的释放。但MMP-13还可提高胶原酶活性，增强大鼠纤维化肝脏中胶原水解，从而防止肝纤维化进展。这意味着虽然MMP-13可能会促进肝癌的转移，但是在肝纤维化发展中起抑制作用。Zhang等[35]研究显示，PM2.5暴露可导致miR-16表达下调、Twist1表达上调从而促进上皮间充质转化(EMT)引起肝癌细胞的转移。越来越多的证据表明EMT有助于肿瘤的迁移和侵袭，提示恶性肿瘤的特征[36-37]。Twist1作为重要的EMT转录因子，是miR-16的直接靶点[38]，可以调控多个EMT相关基因的表达，介导肿瘤细胞的转移。

4 小结与展望

PM2.5对肝癌影响的研究起步较晚，虽然目前已有研究显示，PM2.5可以通过改变酶活性，影响基因表达，诱导内质网应激，引起肝脂肪变性和导致肝纤维化等机制增加肝癌的发病率并导致肝癌的浸润和转移，但仍缺乏最直接的证据和大规模的临床研究证实，PM2.5与肝癌的关联性尚未达成共识。未来的研究应进一步深入探索PM2.5与肝癌发生发展的具体病理生理机制，并针对PM2.5中不同的成分与肝癌的关系进行具体分析，进而为全面了解肝癌的危险因素提供新思路。

利益冲突声明：所有作者均声明不存在利益冲突。

作者贡献声明：左飞负责拟定写作思路，查找文献，撰写论文；李国东负责对文章的内容做批判性审阅；刘明参与指导撰写文章并最后定稿。