可吸入颗粒物毒理学的研究进展
摘要：可吸入颗粒物（PM10）的组成和形态非常复杂，其中的大多数组分是有毒的。概述了PM10的各种有害成分和毒性作用的影响因素及特征，然后着重运用毒理学机理对PM10的急性光致毒、呼吸毒性、免疫毒性、致癌、致畸及对循环系统的毒性等进行了阐述。
关键词: 可吸入颗粒物 危害 毒理学 机理 毒性
1 前言
可吸入颗粒物（PM10）是指空气动力学直径小于或等于10µm的大气颗粒物。世界卫生组织称之为可进入胸部的颗粒物,它可经呼吸道进入人体并沉积于肺部或被吸收到血液及淋巴内,其中有毒物质没有经过肝脏转化直接进入血液,严重危害人体健康。另外, PM10对人体健康、生物效应也有其特有的生理作用。因此, PM10已经成为大气化学研究中的最前沿领域[1]。
近年来科学家对PM10的毒理学机理有所揭示，并把它在大气中的形成、污染的行为及颗粒上的非均相反应等化学方面的研究与致毒效应的研究结合起来,形成大气环境化学与环境毒理学交叉研究的新领域。本文综述了PM10在毒理学方面的研究成果，并提出一些建议。
2 PM10的危害
2.1 PM10的有害成分与致病
PM10组成和来源非常复杂,它是多种污染物的载体和催化剂,许多研究证明，PM10与各种疾病的发病率和死亡率密切相关[2～5]。
PM10中的主要有毒物质有：(1)有机化合物。PM10中的有机物有几百种,包括多种多环芳烃(PAHs)及其衍生物和含氧杂环化合物等。(2)金属元素及其化合物和放射性物质。它们可引起各种金属中毒和放射性污染。(3)硫酸盐与SO2 。它们能够削弱肺功能,并会出现咳嗽和眼刺激症状,浓度过高时会引起急性气管炎、肺水肿和呼吸困难。(4)硝酸盐和NO x 。它们能刺激呼吸道导致粘膜水肿,分泌物过多,削弱吞噬细胞功能。它们进入血液循环系统,以硝酸或硝酸盐的形式引起其它器官如心脏、肝脏和胃受损。(5)硅酸盐和SiO2。它们能使肺纤维化,引起肺矽病。(6)生物气溶胶。各种病原微生物（细菌、病毒和真菌）是鼻黏膜充血、鼻甲肿大、咽充血、过敏性鼻炎及肺功能障碍的主要危险因素。植物花粉和孢子会引起一些人过敏反应，症状包括喷嚏流泪、鼻塞、眼鼻搔痒、哮喘和皮炎等，甚至会发展成为肺气肿、肺心病等。
2.2 影响PM10毒性作用的因素
PM10对人体的危害程度取决于颗粒物的理化性质及其来源。颗粒物的理化性质包括成分、浓度、状态、粒径、吸湿性、可溶性等。颗粒物成分是主要致病因子；颗粒物的浓度和暴露时间决定了颗粒物的吸入量和对机体的危害程度；颗粒物的粒径和状态与其在呼吸道内沉着滞留和消除有关。PM10中粗粒子主要是人为源产生的原生粒子及自然界尘粒,易沉降,而且容易被阻留在鼻腔和口腔内；而细粒子主要是污染气体经过复杂的多相化学反应转化,或者由高温下排放的过饱和气态物质冷凝，再经碰并、凝聚、吸附而形成[5]。
另外，环境和机体状况也是影响其毒性作用的重要因素，如太阳辐射影响PM10的细胞毒性,颗粒物中的有机成分在有氧时并在射线照射下能形成过氧化物而具有很强的光致毒效应[6]。酸化也严重影响PM10的毒性,当空气中SO2和NOx被催化氧化并与水作用形成硫酸烟雾和硝酸烟雾时,其毒性比原来高许多倍[2]。此外，气象因素和地理因素也会影响PM10的扩散稀释而间接影响其毒性。
2.3 可吸入颗粒物的时空累积效应与联合作用
PM10中的有害成分在机体内和大气中都有累积性。当铅在人体内积累到一定程度时就会影响人体的生理机能和造血机能,尤其是对青少年及幼儿的中枢神经系统和造血系统影响更大[2]。当大气中几种污染物得不到及时疏散时,也会累积,并发生化学耦合。例如,颗粒物中有机物和NOx在一定条件下形成光化学烟雾[5]。另外，PM10中有害物质的毒性往往会产生协同、加合及拮抗作用。研究表明,大气颗粒物与O3的协同作用使呼吸道病和心肺病患者死亡率日增[7, 8]。PM10中的一些毒物造成肺组织损伤，从而促进了微生物的感染。赵毓梅等[9]实验发现, Zn、Se对颗粒物中其它有毒成分会产生拮抗作用。
3 可吸入颗粒物的毒理学机理
3.1 概述
PM10成分复杂,致毒机理也并非一种机理能够解释。目前认为PM10的致毒机理主要是:
(1) PM10进入肺内后,首先与肺泡巨噬细胞、肺上皮细胞作用,刺激释放各种细胞因子,导致肺炎症和肺纤维化[10]。(2) PM10与细胞作用后,释放活性氧(ROS)和自由基,氧化损伤组织细胞和遗传物质并引起细胞增生和分裂紊乱,最后可能导致恶变。
总之, PM10可能通过氧化刺激、炎症反应及遗传物质改变等多种机理引起机体各部分的损伤。而这些损伤又是相关的。如PM10由于损害了免疫系统，更易造成其它系统的损害。
3.2 细胞急性致毒效应机理
PM10主要通过自由基产生细胞急性致毒效应。研究表明[11]，颗粒物中含多种无机物和有机物，它们在空气中经紫外辐射,会形成自由基,并引发自由基链反应，形成更多的自由基，进而形成更多的过氧化物。在一定条件下,过氧化物在体内氧化分解,并通过脂质过氧化作用破坏细胞膜和损伤DNA，导致很高的细胞毒性。过氧化物和自由基必须被过氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶等分解，否则会引起急性中毒甚至死亡。尽管具有较大毒性的多环芳烃类物质能在紫外辐射下降解，但光辐射可诱导多环芳烃类物质产生自由基而具有更高细胞毒性[12,13]。急性细胞毒性往往表现为活性氧的爆发[14]，而水溶性过渡金属元素又可诱导过氧化物产生自由基、活性氧。因此,细胞毒性与其中水溶性过渡金属元素含量相关[15]。童永彭等[16]研究发现,酸性较强的市区大气颗粒物粒子中的Fe、Cr、Mn化合物比郊区中的易溶于水,且辐射后的颗粒物比未辐射的含有较多的过氧化物和自由基，并显示出更高的细胞毒性。可见大气颗粒物中可溶性过渡金属盐和过氧化物是诱导细胞自由基毒性的2个因素。
3.3 对呼吸系统的毒性作用机理
PM10在呼吸道内转移方式有如下几种[10]：（1）通过呼吸道纤毛—黏液运动排出体外或进入消化系统。（2）被肺泡巨噬细胞吞噬后进入淋巴系统,由淋巴液带到淋巴结,最后被清除,或者长期滞留在肺间质形成病灶。（3）某些颗粒或组分通过肺的内呼吸进入血液从而到达其他器官。PM10进入呼吸道后,大部分可被呼吸道表面的纤毛—黏液层黏附或清除,但过多的微粒沉积会对气道产生刺激，并导致平滑肌收缩慢支炎、肺气肿患者气道对有害刺激的反应性降低，清除能力减弱，使较多的颗粒物进入小气道和肺泡，加重了对肺功能的损害。
同时, PM10与肺组织细胞接触后，可通过腐蚀刺激或其成分的毒性作用对肺组织细胞造成损害,导致细胞及其生化成分发生改变。Prahalad等[17]研究指出颗粒物会刺激肺部中性粒细胞聚集增加。Longphre等[18]研究认为空气颗粒物刺激肺上皮释放的黏液素及抗菌蛋白等增加。赵毓梅[19]研究发现细颗粒物可使肺灌洗液中生化成分发生改变,具体表现为:中性白细胞增高，乳酸脱氢酶(LDH)、酸性磷酸酶(ACP)、碱性磷酸酶(AKP)和唾液酸(SA)等有变化。它们的改变反映了肺组织细胞受损和防御功能降低。大气中某些颗粒物除本身具有自由基活性外，还可以作用于上皮细胞和巨噬细胞，使它们释放活性氧或活性氮[20]。这些颗粒物进入肺组织后，可激发体内的脂质过氧化反应,使体内氧化和抗氧化系统失去平衡。一方面使得脂质过氧化酶(LPO)增高，另一方面使体内的抗氧化系统耗竭,表现为谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px)下降和LPO/GSH-Px增高,导致谷胱甘肽转化为氧化型、上皮细胞受到损伤、细胞通透性增加，引起肺损伤和肺疾病，如肺功能下降、肺纤维化、慢支、肺气肿等[10]。
3.4 对免疫系统的毒性作用机理
许多研究证明，PM10损坏非特异性免疫功能。国外有研究认为[21, 22]，PM10中的细颗粒物进入肺内后, 肺泡巨噬细胞将整个颗粒物吞噬，并释放出一系列细胞因子和前炎症因子。前炎症因子或沉积于肺部的颗粒物进一步作用于肺上皮细胞、成纤维母细胞、内皮细胞等后分泌黏附分子及细胞因子，而这些黏附分子及细胞因子使各种炎症细胞聚集，从而导致炎症发生。黄丽红等[23]实验结果表明，随PM10中细颗粒物粒子浓度的增加，巨噬细胞存活率和吞噬功能下降，巨噬细胞出现凋亡，并且降低抗原的提呈能力，使免疫活性细胞功能及组织体液中的杀菌物质改变，从而降低肺局部特异性淋巴细胞的免疫应答，导致局部防御力降低，而引起局部炎症感染。
另外, PM10也损坏特异性免疫功能。免疫反应的核心是细胞增殖，颗粒物由于影响细胞增殖而影响免疫。脾脏和外周血淋巴细胞的转化是反映免疫功能的有力工具。有研究表明[24]，汽车尾气颗粒的有机提取物可抑制T淋巴细胞的转化功能，且有剂量—反应关系。其抑制机理可能与钙稳态失衡和钙信号传递干扰有关。白细胞介素(IL-2)和NK细胞在机体和肿瘤免疫中分别起调节和监视作用。汽车尾气颗粒的有机提取物可通过干扰 IL-2 (或其受体)介导信号而抑制T淋巴细胞产生IL-2 。杨建军等[25]通过对不同粒径颗粒物中金属元素含量及其免疫毒性研究认为，Pb、Ni、As、Zn等能使小鼠细胞免疫功能受到抑制,表现为淋巴细胞转化功能、IL-2活性、NK细胞活性、T淋巴细胞亚群等指标改变。
3.5 “三致”效应(致癌、致突变、致畸)
PM10内含有各种直接致突变物和间接致突变物，可以损害遗传物质和干扰细胞正常分裂，同时破坏机体的免疫监视，而引起癌症和畸形。PM10的化学组分或活性氧直接损害遗传物质而导致癌基因激活、抑癌基因失活、遗传物质改变,进一步可能导致肺癌[10]。许多研究利用一些短期遗传毒性实验(Ames实验、UDS实验、微核实验等)从基因、DNA、染色体不同水平说明颗粒物具有潜在的致突变及致癌性。有研究发现[26]，PM10中的许多有机成分均能损伤DNA，以多环芳烃最明显,并且致癌作用与免疫毒性往往是一致的。国外研究认为[27, 20]，接触颗粒物可导致上皮细胞和巨噬细胞内的细胞因子增加，污染物作用于细胞产生的一些细胞因子如生长因子，可能导致细胞周期失去正常调节，从而使细胞分裂增加，进一步形成肿瘤。颗粒物可通过影响细胞间隙通讯功能的改变而导致细胞进一步恶化。宋健等[28]研究认为柴油机排出的颗粒物可抑制细胞间隙的通讯功能，具有致癌作用。
3.6 对循环系统的毒性作用机理
苯类化合物及其代谢物酚能在体内产生原浆毒性，可直接抑制细胞核分裂而对骨髓造血细胞产生损害，又常与血红蛋白结合，导致造血系统和血液内有形成分改变[29 ]。接触PM10后，释放出来的细胞因子使肝脏释放前凝聚因子，它使血管白细胞移动改变，从而导致血液流动性降低，这可能与颗粒物引起心血管疾病和死亡增加有关[27]。另外，由于PM10可以引起肺纤维断裂而发生慢性肺气肿并导致局部纤维增生，因而肺泡受损，使氧在肺泡内失去弥散交换功能，引起低氧血症。肺泡壁的纤维增生、变性，损害肺泡壁上的微细血管，导致小动脉和小静脉狭窄阻塞，造成肺部血管阻力增加，使肺动脉压升高，进而右心室出现肥大，最终导致肺性高血压和肺心病[30]。
3.7 其他毒性机理
许多研究证明，PM10还能损害生殖系统，降低生育能力，引起胎儿畸形等。烟雾中有毒金属元素可以干扰卵母细胞的成熟分裂，降低生殖能力[31]。此外，PM10 还能使儿童所受的紫外辐射量减少，妨碍了体内维生素D的合成，使钙磷代谢处于负平衡状态，造成骨骼钙化不全。
4 结语
总之，PM10毒理学的研究已进入一个崭新阶段，但其生物学发病机制尚未完全建立[32]。仍存在的一些问题是：（1）必须加强颗粒物中有毒金属离子的物相和价态及毒性有机物的结构和性质等化学方面的研究，并探索它们在大气和体内的化学反应规律，从分子生物学水平研究PM10的致毒机理。（2）PM10 中有害物质的浓度与剂量同致病程度之间的正相关性尚存争议，是否存在最适浓度还有待进一步研究。（3）PM10中到底是酸性、中性还是碱性组分对致突变起主要作用，国际上仍有争议。
5 参考文献
1 Crutzen P J. Atmospheric aerosols: to the forefront of research in atmospheric chemistry.IGBP, Global Change News Letter，1998, 33：9.
2 车凤翔.中国气溶胶危害评价.中国粉体技术.1999，4（3）：4～10.
3 宋凌浩，宋伟民，施玮，等.上海市大气微生物污染对儿童呼吸系统健康影响的研究. 环境与健康杂志，2000，17（3）： 135～138.
4 Pitts J N. Formation and fate of gaseous and particulate mutagens and carcinogens in real and simulated atmospheres. Environmental Health Perspectives，1983,47:115～140.
5 杨复沫，马永亮，贺克斌.细微大气颗粒PM2.5及其研究概况. 世界环境，2000，4：32～34.
6 Hindo J, Hanville C, Remita S,et al.Evidence of the formation of different hydroperoxides in irradiated gamma-linolenate solution. Radiat Res.，2000,153:201～207.
7 Meng Z, dabdub D, Seinfeld J H .Chemical coupling between atmospheric ozone and particulate matter.Science,1997,277:116.
8 Simon F T.Human influence on the atmospheric vertical temperature structure:Detection and observation.Science,1996,274:1170.
9 赵毓梅，赵五红，李秋营.大气总悬浮颗粒物的肺毒性和抗毒性的实验研究.环境与健康杂志,1998,15（1）：1～4.
10张文丽，崔九思，戚其平. 空气细颗粒物（PM2.5）生物效应指标研究进展. 卫生研究, 2001，30（6）：379～382.
11Heflich R. In: Genetic Toxicology,CRC Press, Boca Raton,FL,PP. 1991,143～202.
12Boese B L,Ozretich R nJ, Lamberson J O, et al. Toxicity and phototoxity of mixtures of highly lipophilic compounds in marine sediment: Can PAH model be extrapolated? Arch Environ Contam Toxicol,1999,36: 270～280.
13Laveme J A. OH radicals and oxidizing products in the γ radiolysis of water. Radiat Res.,2000,153:196～200.
14Becker S,Soukup J M,Gilmour M I,et al.Stimulation of human and rat alveolar macrophages by urban air particulates. In:Effects on oxidant radical generation and cytokine production. Toxicol Appl. Pharmacol., 1996, 141:637～648.
15Lan Y R. Adamson heather priedities and renaud vincent: Pulmonary toxicity of an atmospheric particulate sample is due to the soluble fraction. Applied Pharmacology.1999,157:43～50.
16童永彭，倪新伯，张元勋,等.气溶胶自由基毒理学机制的研究.环境科学学报,2001,21(6):654～659.
17Prahalad A K, Soukuo J M, Inmon J. Ambient air particles: effects on cellular oxidant radical generation in relation to particulate elemental chemistry.Toxicol Appl. Pharmacol.,1999,158(2):81～91.
18Longphre M , li D, li J. Lung mucin production is stimulated by the air pollutant residual oil fly ash .Toxicol Appl. Parmacol., 2000,162(2):86～92.
19赵毓梅，杨文敏.大气粗细颗粒物的成分分析及其肺毒性研究.卫生研究, 1998,15（1）:1～4.
20Van M J M, Borm P J, Knaapen A, et al. In vitro effects of coal fly ashes: hydroxyl radical generation, iron release, and DNA damage and toxicity in rat lung epithelial cells. Inhal Toxicol,1999, 11(12):1123～1141.
21Kavin E D, Janet M C, Diana G H, et al. Cytokines and particle-induced inflammatory cell ecruitment. Environ. Health Perspect., 1997 ,105(suppl 5):1159～1164.
22Dye J A, Adler K B, Richards J H. Role of soluble metals in oil fly ash-induced airway epithelial injury and cytokine gene expression. Am J Phyaiol., 1999,277(3Pt 1): L498～510.
23黄丽红，宋伟民，胡敏. 大气PM2.5对巨噬细胞的毒性作用研究.上海环境科学,2002,21（5）：288～290.
24张志红，杨文敏.汽油车尾气颗粒物中有机成分分析及对细胞免疫毒性研究. 环境与健康杂志, 2000，17（1）:13～15.
25杨建军，马亚萍, 吴炳耀. 不同粒径大气颗粒物中金属元素含量及其免疫毒性的研究. 环境与健康杂志,1995,12（4）：155～157.
26赵贤四，朱惠刚.大气颗粒物不同组分对大鼠肝细胞DNA合成的影响.环境与健康杂志,1997,14（4）：149～152.
27Seaton A, Mac N W, Donaldson K, et al. Particulate air pollution and acute health effects. Lancet, 1995, 345:176～178.
28宋健，叶舜华. 柴油机排出颗粒提取物对细胞间隙通讯的影响.卫生研究,1997，26（3）：145～147.
29谢峰，王强.大气污染对人体外周血液中性粒细胞影响的调查报告. 环境与健康杂志,1993,10（1）：14～16,18.
30孟紫强主编.环境毒理学.北京:中国环境科学出版社,2000,372～377.
31Zenzes M T,Zhang H,Krishman S,et al.Cadmium accumulation in follicular of woman in vitro fertilization-embryo transfer is higher in smokers. Fertil Steri.,1995,64(3):599～603.
32Pope C A Ⅲ.Epidemiology of fine particulate air pollution and human health:biologic mechanisms and who is at rick? Envioron. Health Perspect，2000,108(14):713～723.
第一作者刘文宏，男，1972年9月出生，1995年毕业于安徽师范大学生化系
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