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大氣顆粒物進入大腦，或?qū)е抡J知障礙和癡呆

2020/12/19
導(dǎo)讀
PM2.5可能對健康產(chǎn)生哪些影響？

pixabay.com



前面的話

我們已經(jīng)知道細顆粒物（PM2.5）與人體健康密切相關(guān)。今年復(fù)旦大學(xué)的一項研究發(fā)現(xiàn)，PM2.5可以進入大腦，而這可能會導(dǎo)致認知障礙和癡呆。在這篇文章中，復(fù)旦大學(xué)研究的作者之一趙金鐲介紹了他們最新的發(fā)現(xiàn)，并綜述分析了PM2.5可能對健康產(chǎn)生哪些影響。


撰文 | 趙金鐲（復(fù)旦大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院副教授）

 

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大氣污染物特別是其中的顆粒物（particulate matter，PM）是全球關(guān)注的環(huán)境問題。WHO和全球疾病負擔的相關(guān)研究指出，PM2.5是人類健康的重要危險因素，特別是與心、肺健康密切相關(guān)，國內(nèi)外的多項流行病學(xué)研究也報道了顆粒物污染與腦血管系統(tǒng)疾病發(fā)病的關(guān)系，短期和長期顆粒物暴露均能增加缺血性腦卒中的發(fā)病風(fēng)險和死亡率，甚至可能與認知障礙及阿爾茲海默癥有關(guān)（Calderon-Garciduenas et al., 2018; Peters et al., 2019）。


1

發(fā)現(xiàn)大氣PM2.5進入大腦的證據(jù)

 

PM2.5是指空氣動力學(xué)直徑小于2.5μm的大氣顆粒物，其粒徑大約介于紅細胞和細菌之間，而人頭發(fā)的直徑大約是100μm。作為城市大氣污染的首要污染物，其表面積大、粒徑小，易于吸附更多的有害物質(zhì)，也更易于進入呼吸道而沉積在肺部導(dǎo)致健康危害。

 

PM2.5進入呼吸道時，雖然會在鼻腔和口腔粘膜被纖毛、粘液等阻留，但部分PM2.5或其中的細小顆粒如PM0.1可能會通過呼吸道到達肺部，然后進入血液循環(huán)，到達其他組織和器官。2004年，Oberdorster等研究者提出顆粒物中的細小顆粒物可進入大腦的觀點（Oberdorster et al., 2004）。2016年，Maher等在墨西哥的研究發(fā)現(xiàn)人體大腦中有含鐵顆粒的存在，雖然該研究樣本量較小而且以腦中的磁鐵礦形態(tài)作為觀察物，但該研究為顆粒物進入大腦提供了有力的證據(jù)（Maher et al., 2016）。

 

2020年，Richard Neil Zare 和趙金鐲以小鼠為研究對象開展了為期6個月的大氣PM2.5吸入暴露實驗，2組小鼠分別暴露于Dirty air（Concentrated PM2.5 air）和Filtered air（過濾了PM2.5的空氣），采用飛秒脈沖激光照射顯微鏡發(fā)現(xiàn)大氣PM2.5可進入大腦，而場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）的結(jié)果也顯示大腦中顆粒物的存在（Saira Hameed, 2020），特別是在Dirty air和Filtered air組有明顯差異，

 

這一研究為大氣顆粒物進入大腦提供了重要證據(jù)：PM2.5能通過鼻腔而經(jīng)嗅球進入大腦（圖1）。而早前的鼻吸入Fe2O3納米顆粒損傷嗅球軸突鞘的研究（Sutunkova et al., 2016），也證實了上述結(jié)論——顆粒物能通過嗅球入腦。

 

圖1 顆粒物通過鼻腔粘膜內(nèi)的嗅球進入大腦的示意圖（引自Saira Hameed et al.,, Talanta Open，2020 ）

 

2

大氣PM2.5與腦血管疾病的關(guān)系


2017年，Lancet 癡呆預(yù)防、干預(yù)和護理委員會將大氣污染列為癡呆潛在危險因素（Livingston et al., 2017），2018年，Lancet 污染委員會也提出，大氣顆粒物與老年人癡呆的起因明顯相關(guān)（Landrigan et al., 2018）。 

 

目前，大氣PM2.5污染已被認為與腦卒中、認知能力、退行性疾病及一些心理和精神疾病有關(guān)。大氣PM2.5暴露濃度的升高與腦卒中的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)，并表現(xiàn)為更高的患隱蔽性腦梗塞的風(fēng)險（Wilker et al., 2015）。

 

2016年發(fā)表在環(huán)境健康展望（Environmental Health Perspectives，EHP）上的研究顯示，長期暴露于PM2.5可增加人類患癡呆癥、阿爾茲海默癥、帕金森病的風(fēng)險（Kioumourtzoglou et al., 2016）。


兒童和青少年時期是神經(jīng)發(fā)育和認知水平發(fā)展的關(guān)鍵時期，早期PM2.5暴露可能對其日后的認知能力產(chǎn)生深遠的影響，Jordi Sunyer在巴塞羅那對交通污染與兒童認知進行了研究，發(fā)現(xiàn)就讀于交通污染水平較高的學(xué)校的兒童認知水平的提高程度較小（Sunyer et al., 2015）。


近年來，也有研究者開始關(guān)注PM2.5與心理和精神疾病的關(guān)系，一些研究認為PM2.5的暴露可能是自閉癥（Volk et al., 2013）、抑郁癥（Kim et al., 2016; Zhang et al., 2018）和精神分裂癥的危險因素。

 

3

大氣PM2.5如何導(dǎo)致腦血管疾病的發(fā)生？


人群流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)大氣PM2.5與腦血管疾病有明顯關(guān)聯(lián)，但PM2.5如何導(dǎo)致腦損傷，目前有兩方面的觀點。


1. PM2.5通過呼吸道進入機體，引發(fā)心、肺損傷進而釋放炎癥介質(zhì)、氧化應(yīng)激產(chǎn)物而間接導(dǎo)致腦損傷；

2. PM2.5通過鼻吸入而經(jīng)嗅球直接進入大腦而導(dǎo)致腦損傷，而不是我們以為的通過血液循環(huán)進入大腦。

 

如前所述，PM2.5直接進入大腦已經(jīng)找到了一些證據(jù)，那么入腦后的PM2.5能使大腦出現(xiàn)哪些變化，這些變化又是如何與腦血管疾病聯(lián)系起來，其作用機制尚不清楚。


有研究認為進入大腦的顆粒物可能與大腦中的免疫細胞發(fā)生反應(yīng)，而促發(fā)炎癥反應(yīng)（Block et al., 2007）及氧化應(yīng)激（Moulton and Yang, 2012），導(dǎo)致腦損傷。Mònica Guxens 等在對學(xué)齡期兒童的認知能力進行評估的基礎(chǔ)上，通過MRI掃描發(fā)現(xiàn)PM2.5與腦皮質(zhì)變薄相關(guān)（Guxens et al., 2018），這也是PM2.5導(dǎo)致認知能力下降的原因。動物實驗中，柴油顆粒的急性暴露能增加腦部多區(qū)域的小膠質(zhì)細胞的活化、脂質(zhì)過氧化和神經(jīng)炎癥，尤其是在海馬和嗅球部位（Costa et al., 2017）。

 

4

PM2.5進入大腦，或加速阿爾茲海默癥進展


也有研究認為顆粒物進入大腦，能加速阿爾茲海默癥的進展與其所致的淀粉樣前體蛋白加工有關(guān)（Cacciottolo et al., 2017）。更直接地證據(jù)來自于前述Richard Neil Zare和趙金鐲為期6個月的動物暴露實驗。

 

該研究使用解吸電噴霧電離質(zhì)譜成像（DESI-MSI）技術(shù)通過溶解磷脂分子的溶劑液滴噴灑小鼠腦組織切片，噴流中形成的次級液滴進入質(zhì)譜儀，以此來確定腦組織中代謝物的組成，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與Filtered air組小鼠相比，Dirty air 組小鼠腦組織中代謝物Sulfatides和Ceramide明顯升高（圖2），而Sulfatides的升高能導(dǎo)致腦血管滲漏，使更多的PM2.5進入大腦，加重腦損傷。Ceramide在細胞凋亡、分化和炎癥反應(yīng)中有重要的作用，是鞘脂代謝的主要產(chǎn)物，它直接參與了淀粉樣β（amyloid-β，Aβ ）蛋白的聚集，從而導(dǎo)致阿爾茲海默癥中所見的神經(jīng)原纖維纏結(jié)和斑塊形成（Saira Hameed et al., 2020）。


此外，其他的實驗證據(jù)也發(fā)現(xiàn)PM2.5的暴露能導(dǎo)致海馬體神經(jīng)元清除增加、排列紊亂和水腫等腦組織實質(zhì)性改變（Li et al., 2018）。這些都表明大氣PM2.5直接到達大腦并沉積在腦組織進而導(dǎo)致大腦結(jié)構(gòu)和功能的改變是其促發(fā)腦血管疾病發(fā)生、發(fā)展的核心環(huán)節(jié)。

 

圖2 采用DESI-MSI技術(shù)測定小鼠暴露Dirty air和Filtered air后腦組織中代謝物的變化（引自Saira Hameed et al., Talanta Open，2020 ）

 

全世界范圍內(nèi)，大氣PM2.5所致健康危害及其防護措施受到政府部門和研究者的廣泛關(guān)注，如何降低環(huán)境中PM2.5濃度是各國關(guān)注的重點。WHO和EPA等都制定了PM2.5的空氣質(zhì)量指導(dǎo)值及空氣質(zhì)量控制標準，并隨著經(jīng)濟和科技的發(fā)展而進行相應(yīng)的修訂，以此來更好地保護人群健康。 

 

“

作者簡介

趙金鐲，復(fù)旦大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院副教授，上海市微量元素學(xué)會理事，中國毒理學(xué)會呼吸毒理委員會委員，主要研究方向：大氣污染與健康。

”


 審 校 

Richard Neil Zare，教授，國際著名物理化學(xué)、分析化學(xué)家，中國科學(xué)院外籍院士。

 參考資料：（可上下滑動瀏覽）

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 制版編輯 | 盧卡斯


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