覃 飛，徐旻霄，瞿超藝，王中瑋,3，范崢崢，董亞南,4，趙杰修*

（1.暨南大學 體育學院，廣東 廣州 510032；2.國家體育總局體育科學研究所，北京 100061；3.常州市體育醫(yī)療科研所，江蘇 常州 213013；4.北京市體育科學研究所，北京 100075）

空氣污染問題已成為影響健康的主要環(huán)境問題。世界衛(wèi)生組織（WHO）估計，每年有800萬人過早死亡與空氣污染有關(guān)?！读~刀》（Lancet）2018年刊載文章指出，空氣污染物中的顆粒物（particulate matter，PM）導(dǎo)致全球420萬人過早死亡，在未來20年內(nèi)，將成為全球第7致死因子（Foreman et al.，2018）。中國已成為世界上空氣污染最嚴重的國家之一，其中顆粒物是目前的首要污染物，對健康危害巨大。因此，《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》將“加強影響健康的環(huán)境問題治理”作為主要任務(wù)之一。

近年來，我國戶外運動迅速興起，人口基數(shù)龐大。以馬拉松為例，根據(jù)2018年中國馬拉松大數(shù)據(jù)分析報告，全國馬拉松賽事和參賽者呈現(xiàn)井噴式增長，全國馬拉松累計參賽人次583萬（Xiao，2018）。另外，對于某些專項職業(yè)運動員（如鐵人三項、皮劃艇、公路自行車、現(xiàn)代五項、短道速滑等），其運動訓(xùn)練場地接觸污染物暴露風險度較高。室內(nèi)運動場館也存在場地設(shè)備和裝修材料導(dǎo)致的空氣污染問題。因此，戶外/室內(nèi)運動均可能存在暴露于空氣污染物環(huán)境的風險。

在污染環(huán)境中從事運動存在哪些健康風險和隱患；運動是否可以抵抗空氣污染所造成的健康損害及其相關(guān)機制；霧霾環(huán)境下運動的安全閾值。這些問題對于在大氣環(huán)境質(zhì)量未能得到有效控制的情況下，促進安全合理地運動健身，保障人體健康具有非常重要意義。因此，本研究將對空氣污染暴露與體育活動對健康的影響及其關(guān)系進行綜述。

1 空氣污染對機體健康的危害

1952年倫敦煙霧事件，12 000人死于煙霧污染（Ball，2014），成為空氣污染史上的重大事件。2019年，《新英格蘭醫(yī)學雜志》（The New England Journal of Medicine）發(fā)表研究，從24個國家（或地區(qū)）的652個城市收集了死亡率和空氣污染的每日數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，PM10濃度每立方米增加10 μg，每日心血管死亡率增加了0.36%，每日呼吸系統(tǒng)死亡率將增加0.47%；PM2.5濃度每立方米增加10 μg，每日心血管死亡率將增加0.55%，每日呼吸系統(tǒng)死亡率將增加0.74%（Liu et al.，2019）。實驗證據(jù)表明，可吸入顆粒物不僅可以作用于初始靶器官——呼吸道，引發(fā)呼吸道感染、哮喘、慢性阻塞性肺疾病和肺癌等呼吸道疾?。˙erend，2016；Bowatte et al.，2017；Camarinho et al.，2013；Schultz et al.，2017）。而且，細顆粒物還能夠以呼吸道為靶點啟動連續(xù)效應(yīng)，激活局部炎癥因子引發(fā)炎癥級聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致心血管疾病、糖尿病、神經(jīng)系統(tǒng)損傷等多種疾病或增加這些疾病的風險（Alderete et al.，2017；Bourdrel et al.，2017；Cac‐ciottolo et al.，2017；Munzel et al.，2018；Toledo-Corral et al.，2018）。

英美心血管專家2018年在《歐洲心臟雜志》（European Heart Journal）聯(lián)合發(fā)文指出，在空氣污染對血管的破壞作用方面，顆粒物發(fā)揮了重要作用。超細顆粒物可通過肺部進入血液，被血管吸收，并引起局部炎癥。最終導(dǎo)致動脈粥樣硬化，從而導(dǎo)致急性心肌梗死、心力衰竭和心律失常等疾病的發(fā)生和發(fā)展（Munzel et al.，2018）。

一個流行病學研究團隊對美國洛杉磯256名兒童進行3～7年的隨訪發(fā)現(xiàn)，生活在空氣質(zhì)量較差地區(qū)的隨訪者成長至18歲時，BMI指數(shù)與空氣污染指數(shù)高度相關(guān)，同時胰島素敏感性降低（Alderete et al.，2017；Toledo-Corral et al.，2018）。同時實驗研究也表明，空氣顆粒物可刺激肝臟細胞產(chǎn)生大量炎癥因子，進而導(dǎo)致免疫級聯(lián)反應(yīng)，影響胰島素分泌及其糖代謝相關(guān)通路，導(dǎo)致機體產(chǎn)生胰島素抵抗（Zheng et al.，2013）。而炎癥因子也可干擾食欲相關(guān)激素的分泌和其調(diào)控過程，增加機體體脂百分比（Paul et al.，2018）。這些流病學和實驗研究結(jié)果提示，空氣污染可經(jīng)由局部炎癥因子的激活引發(fā)炎癥級聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致全身性慢性低度炎癥，進而促進肥胖和糖尿病等代謝性疾病的發(fā)生。

近年來，流行病學研究和動物模型實驗證據(jù)說明，空氣污染可導(dǎo)致阿爾茨海默病和抑郁癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生風險升高。流行病學跟蹤研究發(fā)現(xiàn)，在超過美國環(huán)境保護署（U.S Environmental Protection Agency，EPA）標準的微小顆粒物PM2.5空氣污染環(huán)境中生活11年，老年女性癡呆癥發(fā)病率增加2倍，而總?cè)丝诘陌V呆癥發(fā)病率增加20%（Cacciottolo et al.，2017）。也有研究結(jié)果表明，長期暴露于污染空氣中的大鼠，其海馬體突起少、負責傳遞信息的樹突短，其大腦結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，影響學習、記憶和情緒，進而引起抑郁癥等疾病（Salvi et al.，2017）。

大氣顆粒物導(dǎo)致機體健康危害的機制十分復(fù)雜，但目前研究多集中在氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)的探討上。當大量顆粒物進入機體，超過一定閾值或過載條件下，肺泡區(qū)沉積的超細顆粒導(dǎo)致機體抗氧化防御機制崩潰（Ferin et al.，1992；Oberdorster et al.，1992），進而導(dǎo)致氧化應(yīng)激（Vinzents et al.，2005）和炎癥反應(yīng)加重（Donaldson et al.，2002），引發(fā)局部炎癥，激活相關(guān)炎癥效應(yīng)受體，通過免疫細胞歸巢，誘發(fā)全身性的炎癥級聯(lián)反應(yīng)。這種變化長期積累可導(dǎo)致全身性慢性低度炎癥，進而引發(fā)心血管疾病、肥胖、胰島素抵抗、阿爾茨海默病、抑郁癥等疾病發(fā)病風險升高（圖1）。

圖1 顆粒物致機體損傷模式機制圖（Cutrufello et al.，2012）Figure 1. The Mechanism of PM on Health Impairment

2 空氣污染對戶外運動人群健康和運動能力的影響

在高濃度污染物暴露/交通污染高峰時段進行運動，由于運動過程中參與者每分通氣量增加，導(dǎo)致更多顆粒物進入機體。已有研究表明，在交通環(huán)境下騎行的人群比乘坐公交車（靜坐人群）每分通氣量高4.5倍，這也增加了更高濃度的污染物通過呼吸道進入機體的概率，增加氣道和血管損傷的敏感性（Daigle et al.，2003）。PM2.5所致的氧化應(yīng)激、炎性損傷等是引發(fā)運動人體損傷的重要分子生物學機制（喬玉成，2015）。既往研究表明，短期/一次性空氣污染物中進行運動可導(dǎo)致機體肺功能降低（Aris et al.，1991；Jarjour et al.，2013；Rundell et al.，2008）、免疫功能下降（Gomes et al.，2011；Jacobs et al.，2010；Strak et al.，2010；Wauters et al.，2015）和心血管功能及微循環(huán)損害（Barath et al.，2010；Rundell et al.，2007；Shah et al.，2008；Weichenthal et al.，2014）等身體不適或生理病理改變。這種機體改變與顆粒物濃度有關(guān)，大多為暫時/急性機體損傷。

空氣污染對運動參與者/職業(yè)運動員的相關(guān)研究與其他環(huán)境因素（如高溫、海拔、濕度等）相比較少，但伴隨全球空氣質(zhì)量日益惡化的趨勢及一些賽事在空氣污染較為嚴重的地區(qū)舉辦，近20年來空氣質(zhì)量對參與者運動能力的相關(guān)實驗及流行病學研究正逐漸被重視（表1）。

表1 空氣污染暴露對機體運動能力的影響Table1 Summary of the Effects of Air Pollution Exposure on Exercise Performance

（續(xù)表1）

已有研究表明，運動期間吸入高濃度的顆粒物會導(dǎo)致最大強度做功能力（功率自行車）下降（Cutrufello et al.，2011；Rundell et al.，2008）。在高濃度顆粒物環(huán)境下從事20 min運動后，再在相同污染環(huán)境下進行6 min最大載荷功率自行車試驗測試，測試結(jié)果顯示，受試者運動能力顯著下降（Giles et al.，2014；Rundell et al.，2008）。心血管功能與運動表現(xiàn)相關(guān)，占運動表現(xiàn)下降的24.4%。有研究表明，運動員在高濃度污染物的賽場環(huán)境運動后，肺動脈高壓升高（Cutrufello et al.，2011；Rundell et al.，2008，）。此外，流行病學研究調(diào)查了美國7次馬拉松中前3名選手在8～28年的成績，結(jié)果顯示，成績下降與女性的急性PM10暴露有關(guān)，但與男性無關(guān)（Marr et al.，2010）。這些發(fā)現(xiàn)可能表明，女性的運動能力更易受空氣污染傷害，因此在進行運動建議時應(yīng)考慮性別這一影響因素。

綜合已發(fā)表的同類文章，致機體損傷的污染物的濃度范圍大多與中國香港、北京及美國洛杉磯等都市交通繁忙時段的空氣污染濃度類似，這也提示我們，在參加戶外運動前應(yīng)監(jiān)測空氣質(zhì)量，避免在空氣污染高峰時段的高污染區(qū)進行運動。因此，環(huán)境監(jiān)測部門應(yīng)及時準確發(fā)布相關(guān)污染物的時間動態(tài)變化濃度，以便戶外運動者酌情選擇運動時間。此外，既往研究大多為短期/一次性顆粒物暴露環(huán)境中的運動實驗，這應(yīng)該是考慮到受試者安全、技術(shù)及其倫理等方面因素。僅有少量研究觀察了運動者在長期空氣污染環(huán)境下進行運動的身體變化情況，結(jié)果提示，長期（10～12周）高污染物暴露可能導(dǎo)致肺功能下降、炎癥發(fā)生，心血管疾病發(fā)病率升高，提示在空氣污染環(huán)境下長期運動，運動無法逆轉(zhuǎn)空氣污染對身體造成的傷害（劉曉莉 等，2006，2007；Bos et al.，2013；Stieb et al.，2017）。

此外，我國學者應(yīng)用全身暴露染毒系統(tǒng)結(jié)合跑輪運動模擬空氣污染狀態(tài)下進行運動的真實場景，觀察10天SO2暴露聯(lián)合運動機體產(chǎn)生的損傷變化，研究發(fā)現(xiàn)，SO2污染對運動大鼠心肺組織的氧化損傷效應(yīng)比安靜組更明顯（劉曉莉等，2009）。SO2污染導(dǎo)致運動大鼠心肌膠原纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生異常重塑，最終使大鼠的心功能產(chǎn)生顯著的負性變力性效應(yīng)（陳平等，2017）。上述研究均為長期空氣污染下運動損害機體健康提供了實驗依據(jù)，也開辟了國內(nèi)運動與毒理學交叉領(lǐng)域研究的先河。

在關(guān)注室外空氣質(zhì)量對運動能力及運動參與者健康狀況影響時，室內(nèi)空氣污染對運動員的影響也是一個不容忽視的問題（李裕和，2005）。流行病學調(diào)查表明，與室外進行的冬季項目相比，室內(nèi)冬季運動員（速滑、冰球等）在運動引起的支氣管收縮方面的患病率更高，并伴隨較低的靜息肺功能和較大的氣道功能障礙（Rundell et al.，2004）。而冬季/夏季奧運會傷病報告對比研究指出，冰球和短道速滑運動員中患上呼吸道感染人數(shù)高達20%～43%，與夏季奧運會相比哮喘患病率高10%（Mannix et al.，1996；Weiler et al.，1998；Wilber et al.，2000）。此外，在運動訓(xùn)練和比賽期間，反復(fù)通風冷/干空氣，加上高水平的PM1，可能會增強或直接導(dǎo)致上呼吸道感染和氣道損傷的表達。進行為期3年日常訓(xùn)練的女冰球運動員靜息氣道功能（FVC、FEV1和FEF25-75）顯著下降，哮喘患病風險增加（Rundell，2004；Rundell et al.，2004）。有數(shù)據(jù)證明，冰場所用的汽油或柴油制冰機可排放高濃度的直徑小于1 μm（PM1）的細顆粒物和超細顆粒物。此外，溜冰場的通風和空氣循環(huán)系統(tǒng)也影響了PM1的消散程度。因此，對于冰場制冰設(shè)備的環(huán)保性改造和空氣質(zhì)量指數(shù)（Air Quality Index，AQI）監(jiān)控和預(yù)警體系的建立與實施管理，均是影響室內(nèi)冰上運動員運動能力與機體健康的重要因素。

鑒于此，越來越多的運動參與者擔心自己在空氣污染環(huán)境下從事運動對身體產(chǎn)生不利影響，因而放棄運動或減少運動頻率。An等（2019）對中國居民日常身體活動與污染環(huán)境的薈萃分析發(fā)現(xiàn)，環(huán)境空氣污染影響了中國居民的日常體育活動相關(guān)行為，活動時間減少。有學者對美國已發(fā)表的相關(guān)研究進行meta分析后發(fā)現(xiàn)，空氣污染程度加劇與身體活動減少呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，特別是呼吸道疾病患者，PM2.5濃度每增加一個單位（μg/m3），久坐不動人群數(shù)目將增加1.1%（An et al.，2018）。此外，也有學者指出，久坐不動對機體產(chǎn)生的危害大于在空氣污染中運動產(chǎn)生的危害（Roberts et al.，2014）。Andersen等（2015）通過大樣本人群（＞50 000人）的健康數(shù)據(jù)跟蹤，生活在高NO2水平地區(qū)的人群，自行車和園藝對呼吸系統(tǒng)死亡率的良好效益略有降低，但沒有消失。身體活動對心肌梗死的發(fā)生率和復(fù)發(fā)率產(chǎn)生的良好效應(yīng)不會因暴露于高濃度的污染空氣中而降低（Kubesch et al.，2018）。因此，這也提示我們，應(yīng)正確引導(dǎo)體育運動人群，合理選擇健身場所，避免在極端污染環(huán)境下進行運動。當室外空氣污染嚴重時，可選擇空氣質(zhì)量良好的室內(nèi)場地進行運動，以繼續(xù)保持良好的運動習慣。

針對上述現(xiàn)象，如何確定空氣污染環(huán)境下運動的安全閾值，是目前及未來需要解決的關(guān)鍵問題。而空氣污染物成分復(fù)雜，其中，大氣顆粒物污染（霧霾）具有季節(jié)性和間歇性特征，因此，需要根據(jù)研究區(qū)域的具體情況構(gòu)建流行病學健康風險模型，并開展大數(shù)據(jù)研究，以對環(huán)境污染相關(guān)的健康問題和行為（如運動健身）進行管理。但目前這方面的研究極少。Tainio等（2016）研究表明，在PM2.5濃度為100 μg/m3時，如果成年人騎行時間超過1 h 30 min，或步行時間超過10 h，運動產(chǎn)生的良好效益將被空氣污染對機體造成的損害所抵消。Pasqu等（2018）的研究發(fā)現(xiàn)，在 PM2.5＞120 μg/m3或 PM10＞300 μg/m3的空氣污染較為嚴重的城市，進行15 min運動后產(chǎn)生的有益效應(yīng)會逐步降低，運動超過75 min，全因死亡率危險因素升高，運動產(chǎn)生的良性效應(yīng)無法抵消顆粒物污染導(dǎo)致的機體損害。對于高濃度閾值相關(guān)實驗的實施目前存在倫理及設(shè)計等因素的限制，研究較少。結(jié)合已發(fā)表的文獻，發(fā)現(xiàn)PM2.5＜100 μg/m3時，即空氣質(zhì)量等級為優(yōu)秀或良好時，成年人運動相對安全，且長期運動可對機體產(chǎn)生良好效應(yīng)，當PM2.5＞100 μg/m3時，機體損傷風險性升高。但伴隨著污染物濃度的升高，污染物成分及受試者的健康狀況（是否患有心肺系統(tǒng)疾?。┮渤蔀橹饕目紤]因素。

此外，與成年群體相比，兒童、老年人作為特殊群體，對空氣質(zhì)量更加敏感。隨著器官系統(tǒng)的發(fā)育和相對較低的體重，兒童更容易受到空氣污染的負面影響，如城市地區(qū)兒童哮喘發(fā)病率的增加（Clark et al.，2010），兒童肺部發(fā)育速率顯著降低（Gauderman et al.，2004），兒童久坐時間增加，運動恐慌情緒加重等（Dong et al.，2018）。此外，流行病學研究也表明，老年群體，尤其是患有哮喘、慢性阻塞性肺疾?。╟hronic obstructive pulmonary disease，COPD）的體弱老年人更易受空氣污染的負面影響。如PM2.5暴露與老年人骨骼肌質(zhì)量減少和體脂質(zhì)量增加有關(guān)，加速老年人肌肉量減少（Chen et al.，2019）。PM2.5濃度影響中國老年人身體活動時間，環(huán)境PM2.5濃度增加一個標準差（56.6 μg/m3），每周步行總時長減少4.69 h、休閑時間老年人體育活動量表（PASE）評分減少71.16（Yu et al.，2017）。因此，除了減少風險因素和預(yù)防疾病之外，促進健康的干預(yù)措施對這些群體尤為重要。在生命早期建立健康科學的生活方式行為，使兒童青少年及老年群體能夠適應(yīng)環(huán)境的惡性轉(zhuǎn)化和應(yīng)對措施，在霧霾污染中積極參與適度的體育活動，而不是被動盲目地停止鍛煉。因此，兒童青少年等特殊人群及其患有肺部及心血管疾病的患者安全閾值應(yīng)針對個體實際狀況進行調(diào)整（Dong et al.，2018；Si et al.，2017），但該方面的研究資料缺乏尚不能提出明確的標準。對不同人群安全閾值的確定，開展大樣本人群實驗，構(gòu)建流行病學健康風險模型非常必要。

3 運動訓(xùn)練對空氣污染所致健康損害的抵抗效應(yīng)

運動有益健康已被實驗研究和流行病學調(diào)查所證實。盡管有研究顯示，顆粒物暴露對運動機體呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生危害（Cutrufello et al.，2011；Rundell et al.，2008），但也有研究認為，長期規(guī)律性的運動可抵抗空氣污染導(dǎo)致的機體損害，即運動促進健康的正面效應(yīng)可能大于空氣污染的負面效應(yīng)（趙杰修 等，2014a；Giles et al.，2014）。Matt等（2016）研究發(fā)現(xiàn)，在交通造成的空氣污染環(huán)境下進行2 h中等強度間歇運動（15 min運動+15 min休息，共4組，50%～70%最大心率），運動可延緩或降低空氣污染對呼吸道系統(tǒng)造成的損害。Kubesch等（2015）研究也表明，間歇性運動（與前一研究運動方案相同）可減弱交通相關(guān)污染對機體產(chǎn)生的收縮壓升高和肺功能下降。但值得一提的是，根據(jù)文獻中污染物濃度的測量結(jié)果，以污染物PM2.5為例，上述研究中的污染環(huán)境PM2.5濃度在60～120 μg/m3，相當于我國空氣質(zhì)量良好至輕度污染的區(qū)間范圍。Wag‐ner等（2018）的研究表明，在空氣質(zhì)量指數(shù)“良好”（AQI=51～100）的環(huán)境中進行一次性大強度運動（功率自行車，20 min），運動能力不受污染物暴露的影響，且不損害肺功能及相關(guān)健康指標。上述研究均提示，運動對空氣污染相關(guān)健康損害的保護效應(yīng)與空氣污染物濃度有關(guān)。

上述研究均為急性人群實驗，目前關(guān)于長期運動干預(yù)的實驗研究多選用大鼠或小鼠作為研究對象，且主要采用以下3種研究模式：1）長期運動結(jié)合染毒模型（每次先運動后染毒），主要觀察在污染環(huán)境下運動產(chǎn)生的良好效應(yīng)是否被逆轉(zhuǎn)（Fashi et al.，2015；Vieira et al.，2012）；2）長期預(yù)運動訓(xùn)練后進行急性/慢性暴露染毒，旨在觀察運動產(chǎn)生的良好效應(yīng)是否可以抵抗空氣污染極端環(huán)境對機體的損害（Nesi et al.2016；Yu et al.2012）；3）利用空氣污染物造成機體損傷模型后進行運動干預(yù)，旨在觀察運動對空氣顆粒物導(dǎo)致機體損害的治療效果（Hassel et al.，2014；Kuru et al.，2015）。

已有動物實驗研究表明，為期4～10周的有氧運動，伴隨顆粒物暴露可以有效預(yù)防顆粒暴露產(chǎn)生的炎癥反應(yīng)危害，呈現(xiàn)抗氧自由基的保護功能（Fashi et al.，2015；Vieira et al.，2012）。此外，也有研究發(fā)現(xiàn)，在空氣污染/霧霾周期開始前進行有規(guī)律的4～8周運動健身訓(xùn)練（預(yù)運動），可在一定程度上有效抵抗空氣污染/霧霾導(dǎo)致的肺功能下降，抑制炎癥的發(fā)生發(fā)展（Nesi et al.，2016；Yu et al.，2012），改善認知功能的下降趨勢，抑制海馬區(qū)域炎癥的發(fā)生發(fā)展。因此，長期適度運動在大氣環(huán)境質(zhì)量未能得到有效控制的情況下，可在一定程度上拮抗顆粒物暴露所導(dǎo)致的機體危害。

對于在空氣污染下進行運動產(chǎn)生的不同效應(yīng)（有益或有害），向我們提出了一個具有挑戰(zhàn)性的研究問題，即“運動促進健康”和“空氣污染危害健康”兩者之間可能存在著一個平衡點（趙杰修 等，2014b）（圖2）。鑒于這一問題，趙杰修研究團隊結(jié)合1990－2017年已發(fā)表的關(guān)于運動和空氣暴露的相關(guān)人群研究進行了薈萃分析，由于分析涉及空氣污染物及運動方案兩個復(fù)雜因素，同類研究較少，僅發(fā)現(xiàn)運動對空氣污染暴露環(huán)境下的肺功能有改善效應(yīng)（Qin et al.，2019）。而對于其他系統(tǒng)的干預(yù)效果，由于文獻量有限，未得出明確結(jié)論。這也提示，針對各種健康問題，高質(zhì)量的同類研究對未來數(shù)據(jù)整合的薈萃分析研究結(jié)果至關(guān)重要。但對既往研究進行總結(jié)分析，也發(fā)現(xiàn)運動是否可以產(chǎn)生保護效應(yīng)與空氣污染物的濃度及運動時長密切相關(guān)，它們之間具體相關(guān)性的量化研究仍需大量實驗研究進行驗證。

圖2 運動與大氣顆粒污染物調(diào)節(jié)機體健康的平衡理論假說Figure 2. A Balance Hypothesis of Exercise and Particulate Matter in Regulating Health

4 運動對空氣污染所致健康損害的抵抗相關(guān)機制

相對于空氣污染損害機體健康的機制探討，目前關(guān)于運動抵抗空氣污染所致健康危害的機制研究遠遠不足。結(jié)合空氣污染致病和運動健身防病治病已探討的相關(guān)機制，尋求高度契合的相關(guān)信號通路和重要效應(yīng)分子，可以為我們深入研究運動抵抗空氣污染所致健康危害的機制提供有意義的線索和方向?；谶@種研究思路，當前對“運動、空氣污染、健康”三者之間作用機制的探討主要集中于“氧化應(yīng)激”和“炎癥發(fā)生發(fā)展”的相關(guān)信號通路上，其中部分內(nèi)容已得到實驗研究驗證。

已有研究報道，大氣顆粒物可通過Toll樣受體（Tolllike Receptor，TLR）通路誘導(dǎo)炎癥發(fā)生，并且PM2.5中的生物成分（LPS）和非生物成分均可以通過TLR發(fā)揮作用（He et al.，2016）。Fashi等（2015）研究表明，PM10暴露后，大鼠肺臟組織中的TLR4基因表達顯著升高，NF-κB介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)增強。但顆粒物暴露后機體是否還會產(chǎn)生一些內(nèi)源性配體經(jīng)由TLR通路誘發(fā)炎癥反應(yīng)，目前鮮見直接報道。Li等（2016）研究發(fā)現(xiàn)，肺癌細胞中提取的HSP70，可與間充質(zhì)干細胞上的TLR受體結(jié)合，進而激活NF-κB炎癥通路。有證據(jù)表明，顆粒物暴露后，機體熱休克蛋白70（hot shock proteins 70，HSP70）含量升高，并且與呼吸道炎癥的發(fā)生密切相關(guān)（Sancini et al.，2014）。綜合上述研究，有理由推測HSP作為機體對大氣顆粒物作用所產(chǎn)生的應(yīng)答物，有可能參與TLR-NF-κB炎癥信號通路的激活或啟動。

HSP70是HSP家族中的重要成員，長期以來被認為是一種胞漿蛋白，定位于細胞內(nèi)發(fā)揮作用，即iHSP70（intra‐cellular HSP70）。但有證據(jù)表明，HSP70也可釋放到細胞外空間，成為eHSP70（extracellular HSP70）。近期研究揭示了HSP70具有多種相互拮抗的功能，其功能差異依賴于其所存在的部位不同，即細胞內(nèi)還是細胞外（Krause et al.，2015）。細胞內(nèi)的iHSP70具有抗炎功能，其機制主要是阻礙NF-κB活化（Jones et al.，2011），與細胞內(nèi)iHSP70相反，細胞外eHSP70具有促炎效應(yīng)。

目前已有研究證實，eHSP70/iHSP70比值與空氣顆粒導(dǎo)致的急性炎癥和慢性低度炎癥相關(guān)性疾病密切相關(guān)，如肥胖、胰島素抵抗、糖尿病、慢性阻塞性肺疾病、肺炎、心血管疾病等（Gregor et al.，2011；Jurk et al.，2014）。Goettems-Fiorin等（2016）研究發(fā)現(xiàn)，暴露于PM2.5的機體eHSP70/iHSP70比值反映了細胞應(yīng)激反應(yīng)的改變，可作為空氣顆粒導(dǎo)致的急性炎癥或慢性低度炎癥狀態(tài)和風險的相關(guān)生物標志物。

也有研究表明，運動形成的生理刺激足以引起生物體HSP的表達改變。Mai等（2017）研究發(fā)現(xiàn)，12周大強度間歇運動可抑制PM2.5暴露導(dǎo)致的心臟炎癥和氧化應(yīng)激，運動干預(yù)后eHSP70/iHSP70比值顯著下降。趙杰修等（2014b）發(fā)現(xiàn)，2周PM2.5暴露可導(dǎo)致老年大鼠肺功能下降，肺阻塞程度加重，肺部炎癥蛋白及因子表達水平升高，eHSP70/iHSP70比值顯著上升，NF-κB炎癥通路被激活，導(dǎo)致炎癥產(chǎn)生。8周預(yù)運動可在一定程度上抵抗顆粒物暴露導(dǎo)致的肺功能下降，同時細胞內(nèi)iHSP70含量升高，eHSP70含量降低，NF-κB炎癥通路蛋白表達減少，說明，慢性（預(yù)）運動可抵抗顆粒物導(dǎo)致的老年大鼠呼吸道炎癥（Qin et al.，2018）。慢性運動導(dǎo)致的eHSP70/iHSP70平衡改變可能是介導(dǎo)機體慢性炎癥狀態(tài)減弱，應(yīng)激傷害抵抗力增加，細胞生存能力增強的關(guān)鍵機制之一。

因此，由eHSP70/iHSP70介導(dǎo)的HSP70-TLR-NF-κB信號通路可能是大氣顆粒物致呼吸系統(tǒng)炎癥的主要機制之一。長期有規(guī)律的有氧運動可能通過改善大氣顆粒物致呼吸系統(tǒng)炎癥機體的eHSP70/iHSP70平衡紊亂，進而抑制HSP-TLR-NF-κB炎癥信號通路，同時促進呼吸道上皮細胞內(nèi)的抗炎作用（圖3）。此通路可能是運動抵抗可吸入顆粒物致呼吸系統(tǒng)炎癥的關(guān)鍵機制之一，也是運動調(diào)控可吸入顆粒物健康危害的有效靶標。

圖3 運動調(diào)控顆粒物導(dǎo)致的eHSP70/iHSP70平衡紊亂假說Figure 3. Hypothesis of Exercise Regulating eHSP70/iHSP70 Disorder Caused by Particulate Matter

此外，在顆粒物致機體炎癥的發(fā)生發(fā)展過程中p38 MAPK-花生四烯酸通路發(fā)揮著重要的作用（Kuwata et al.，2005；Lupo et al.，2007）。研究表明，PM2.5中的生物成分（LPS）和非生物成分均可以通過TLR4發(fā)揮作用，激活P38 MAPK信號通路，進而磷酸化和激活磷脂酶A2（PLA2），導(dǎo)致花生四烯酸從磷脂態(tài)轉(zhuǎn)變成游離態(tài)（Awji et al.，2015；Tsai et al.，2017）。另一方面，P38 MAPK信號通路可通過AP-1調(diào)控TNF-α、IL-1β的釋放，P38 MAPK信號通路激活后使得細胞核TNF-α、IL-1β和IL-6的轉(zhuǎn)錄后釋放增加，致使COX-2和iNOS酶的活性升高，導(dǎo)致花生四烯酸的代謝產(chǎn)物PGE2的釋放增加，進一步促使中性粒細胞的趨化，增進炎癥反應(yīng)（Kuwata et al.，2005；Lupo et al.，2007）。

目前，運動對顆粒物所致炎癥介導(dǎo)的p38 MAPK-花生四烯酸通路的調(diào)控作用的相關(guān)研究較少，但p38 MAPK作為骨骼肌收縮激活的蛋白之一，被稱作“運動因子”，與運動密切相關(guān)（Kim et al.，2017；Lessard et al.，2018；Qiao et al.，2016）。由此可提出以下假說，長期有規(guī)律的運動訓(xùn)練可能通過降低顆粒物誘導(dǎo)氧化應(yīng)激產(chǎn)生的過氧化物含量，進而抑制P38 MAPK磷酸化，從而降低花生四烯酸通路中磷脂酶A2的活性，促使前列腺素E2產(chǎn)生抗炎效應(yīng)，抵抗顆粒物對機體的損傷。這可能是顆粒物暴露與運動干預(yù)相關(guān)的重要信號通路之一，需要今后進一步實驗驗證。

5 空氣污染環(huán)境下運動的保護措施

目前，在空氣質(zhì)量還沒有完全改善的情況下，如何采取科學的方法將空氣污染環(huán)境下運動人群的身體損害風險降到最低？如何整合運動計劃方案將運動產(chǎn)生的良好效應(yīng)最大化超越空氣污染的健康危害？雖然現(xiàn)在這些問題沒有確切的答案，仍需要進一步設(shè)計嚴謹?shù)膶嶒灪土餍胁W研究加以解決。但根據(jù)既往經(jīng)驗和現(xiàn)有的研究成果，以下措施應(yīng)在進行運動前或運動期間加以關(guān)注：1）盡量避免在馬路附近或交通繁忙區(qū)域進行運動，如果習慣選擇交通繁忙區(qū)域進行運動，需盡量避開交通高峰期；2）盡量選擇開闊區(qū)域或郊區(qū)公園作為訓(xùn)練場地，不要選擇污染指數(shù)嚴重的地區(qū)；3）訓(xùn)練時間應(yīng)選擇早晨或傍晚以避免空氣污染物高峰時段；4）如果天氣寒冷且空氣污染嚴重，應(yīng)改為室內(nèi)運動。利用當?shù)貧庀缶謱諝赓|(zhì)量進行咨詢和指導(dǎo)。在國外參加比賽或進行訓(xùn)練時，這一點尤為重要；5）在空氣質(zhì)量不佳且必須進行戶外訓(xùn)練的情況下，應(yīng)提醒有哮喘病史的運動員提前使用或隨身攜帶噴霧器；6）全面評估賽場/訓(xùn)練場地污染因素，除了關(guān)注室外空氣質(zhì)量指數(shù)，也應(yīng)考慮室內(nèi)空氣污染因素對機體的影響，如室內(nèi)滑冰場；7）訓(xùn)練時應(yīng)監(jiān)控運動參與者暴露于空氣污染環(huán)境下是否出現(xiàn)身體不適，如氣道刺激、咳嗽、喘息、呼吸痛感和呼吸困難程度等；8）建議確保運動員每天攝入充足的新鮮蔬菜和水果，保證通過飲食補充攝入足夠的胡蘿卜素和抗氧化劑（Carlisle et al.，2001；Fitch，2016 ；Lu et al.，2015；Williams，2011）。

6 研究展望

6.1 開展不同層面大樣本人群流行病學研究

鑒于我國部分地區(qū)空氣污染程度嚴重和人口密度高的現(xiàn)狀，目前缺乏基于我國人口的空氣污染與健康和運動方面的流行病學調(diào)查研究，如空氣污染對久坐人群和運動人群的健康影響或相關(guān)全因死亡率的調(diào)查研究。應(yīng)開展環(huán)境健康風險評估相關(guān)的實驗研究和全國性的調(diào)查研究，如中國兒童青少年/成年人/老年人暴露因素的全國性調(diào)查研究，為建立完善的針對不同人群、不同環(huán)境、不同身體狀況的運動健康管理平臺提供環(huán)境安全預(yù)警服務(wù)模式和運動處方庫提供理論和實踐支持。此外，應(yīng)結(jié)合環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測和醫(yī)療健康衛(wèi)生數(shù)據(jù)資源，開展大數(shù)據(jù)分析與研究，構(gòu)建流行病學健康風險模型，確定不同特征人群在霧霾環(huán)境下運動的安全閾值，以及運動量、空氣質(zhì)量指數(shù)和健康之間的劑量效應(yīng)量化關(guān)系。

6.2 加強環(huán)境健康風險評估相關(guān)實驗研究

長期大氣顆粒物暴露后，身體活動對機體健康產(chǎn)生的影響；身體活動總時間與空氣污染水平之間的關(guān)系，這些方面的研究均需要進一步加強，應(yīng)借鑒環(huán)境與健康研究技術(shù)，進行環(huán)境健康風險評估相關(guān)風險因素的實驗。由于運動產(chǎn)生的效應(yīng)受污染物濃度及運動時長的影響，且空氣污染具有季節(jié)性和間歇性，因此，需要研究了解不同暴露水平（低、中、高）對不同年齡和不同身體狀態(tài)人群體力活動的影響及其健康狀況，需特別關(guān)注兒童、女性、老人及患有慢性疾病的“敏感人群”。此外，與其他特殊環(huán)境因素相比，空氣污染與運動能力的相關(guān)研究尚處于起步階段，如運動人群或賽事健康風險的空氣質(zhì)量預(yù)警指標體系的構(gòu)建及其標準的確定，運動員訓(xùn)練期間與空氣污染早期危害相對應(yīng)的相關(guān)生理生化敏感指標篩選與驗證，上述問題仍需大量實驗研究進行論證。

6.3 探討空氣污染、身體活動和健康的相關(guān)機制研究

長期大氣顆粒物暴露后，運動對顆粒物暴露導(dǎo)致的機體損害的抵抗效應(yīng)以及相關(guān)機制，目前研究較少，仍需進一步加強。但基于倫理學考慮，研究大多采用動物和細胞實驗。“運動與空氣污染暴露”的交叉動物實驗研究，應(yīng)注意選擇暴露方式，傳統(tǒng)氣管滴注的方式，鑒于其有創(chuàng)性、染毒濃度較大、暴露方式與實際顆粒物暴露存在差異，且結(jié)合運動會對實驗動物產(chǎn)生較大的應(yīng)激等問題（庫婷婷，2017）。因此，推薦采用全身暴露濃縮富集染毒方式進行研究，該方法無創(chuàng)且更能模擬現(xiàn)實空氣暴露環(huán)境（Allen et al.，2014；Sioutas et al.，1995）。目前發(fā)表的文獻多以顆粒物混合成分作為主要暴露物，但大多未進行空氣顆粒物成分和濃度分析，進而阻礙了機制的進一步深入挖掘。建議對該現(xiàn)象及初步機制的探究可選擇顆粒物混合成分，并對空氣有害成分進行鑒定，進而再通過單一成分污染因子進行深入機制驗證。

6.4 制定高公信度相關(guān)指導(dǎo)與建議，構(gòu)建相關(guān)健康管理平臺

從公共衛(wèi)生和體育活動促進角度來看，獲取運動、健康和環(huán)境這些領(lǐng)域的知識十分重要。政府和公共衛(wèi)生相關(guān)職能部門應(yīng)當制定指導(dǎo)方針和干預(yù)策略以促進積極的生活方式，建立針對不同人群、不同環(huán)境、不同身體狀況的運動健康管理平臺以及相關(guān)環(huán)境安全預(yù)警服務(wù)模式，編寫相關(guān)《空氣污染物暴露因子手冊》，為健康戶外鍛煉提供專業(yè)指導(dǎo)。此外，空氣污染與賽事管理的相關(guān)制度建立尚需完善，未來訓(xùn)練場館空氣質(zhì)量監(jiān)控以及環(huán)保新型相關(guān)運動輔具開發(fā)等項目也應(yīng)得到相關(guān)部門的重視。

7 小結(jié)

由于人體在進行運動時每分通氣量增大，因此在高濃度污染物暴露/交通污染高峰時段進行運動時，導(dǎo)致大量污染物沉積至身體效應(yīng)器官，運動參與者運動能力下降，肺功能降低、呼吸道急性炎癥和心血管功能及微循環(huán)損害等身體不適或生理病理狀態(tài)改變，全因死亡率風險性升高等。但從運動促進健康角度分析，也有研究發(fā)現(xiàn)，有規(guī)律的適量運動可清除顆粒物攻擊機體產(chǎn)生的氧化應(yīng)激，減輕急性/慢性炎癥的發(fā)生發(fā)展。有證據(jù)表明，PM2.5＞100 μg/m3時，機體損傷風險性升高，伴隨運動時間延長，全因死亡率升高。由于運動和空氣污染物為兩個相對復(fù)雜的變量，且高濃度的污染物暴露存在倫理學及安全效應(yīng)的相關(guān)考量，所以高濃度污染環(huán)境下的安全閾值的定量化研究很難開展，同時借助流行病學健康風險模型的大數(shù)據(jù)研究目前較為缺乏。因此，運動、空氣污染和健康三者之間的關(guān)系遠沒有清晰。此外，運動對顆粒物損傷機體產(chǎn)生保護效應(yīng)的相關(guān)機制研究仍在起步階段。綜上所述，如何平衡運動促進健康和空氣污染環(huán)境暴露下運動產(chǎn)生的機體危害，將是未來具有潛力的研究熱點問題。闡明運動抵抗污染物所致機體損傷的相關(guān)機制，確定空氣污染環(huán)境下運動的安全閾值范圍，建立完善的運動健身環(huán)境污染預(yù)警機制，這些都是既有趣又具有重要科學和現(xiàn)實意義的研究選題。