大氣顆粒物吸附的空氣微生物毒性效應(yīng)的研究進(jìn)展

王健，李慧敏，鄧曉蓓,3,*

1. 上海交通大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，上海 200025 2. 上海交通大學(xué)新華臨床醫(yī)學(xué)院，上海 200092 3. 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院癌基因與相關(guān)基因國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200032

大氣顆粒物(particulate matter, PM)，是指大氣中存在的各種固態(tài)和液態(tài)顆粒狀物質(zhì)的總稱，其中PM2.5作為大氣顆粒物的重要組成部分之一，是空氣動(dòng)力直徑≤2.5 μm顆粒物，其對(duì)人類健康的毒性效應(yīng)在世界范圍內(nèi)引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-3]。估計(jì)每年約650萬(wàn)人的死亡被證實(shí)與空氣污染有關(guān)，如果不采取有效的干預(yù)措施，到2050年死亡人數(shù)可能會(huì)翻一番[4-5]。此外，空氣污染相關(guān)的經(jīng)濟(jì)損失從1990年的2 176億美元增加到2013年的3 552億美元，約增加了23%[6]。

大氣顆粒物的組成成分十分復(fù)雜，不僅富含有機(jī)物和無(wú)機(jī)物，還吸附多種細(xì)菌和病毒等微生物。目前，針對(duì)大氣顆粒物的有機(jī)和無(wú)機(jī)成分的毒理學(xué)分析已有大量的研究，然而針對(duì)大氣顆粒物上吸附微生物的毒理學(xué)研究較少且還未成系統(tǒng)[7]。本文綜述了污染天氣或特殊污染場(chǎng)景中大氣顆粒物上附著的微生物種類，影響微生物存活的環(huán)境條件，與疾病流行的內(nèi)在關(guān)系，大氣顆粒物對(duì)所附著的微生物的影響，與疾病相關(guān)的毒性效應(yīng)，進(jìn)一步為大氣污染預(yù)防和控制措施提供思路和方法。

1 大氣顆粒物上附著的微生物種類(Species of microorganisms attached to PM)

大氣顆粒物的組成成分和來源在不同地區(qū)存在差異。根據(jù)不同地區(qū)的構(gòu)成，大氣顆粒物的非生物成分來源主要分為三大類：化石燃料燃燒、汽車尾氣和工業(yè)粉塵[8-11]。其主要成分包括無(wú)機(jī)物(炭黑等)、有機(jī)化合物(多環(huán)芳烴等)、水溶性離子(鎂離子、鐵離子等)、金屬(鎘、銅等)以及病原微生物等[12-13]。

炭黑(carbon black, CB)是大氣顆粒物的重要組成成分之一，主要由化石燃料不完全燃燒產(chǎn)生，具有直徑范圍為20～30 nm的多孔球形結(jié)構(gòu)。這種多孔結(jié)構(gòu)具有良好的吸附性，可能為微生物提供了大量的附著位點(diǎn)。初步實(shí)驗(yàn)證明，過濾海水中含有的大量病毒和細(xì)菌群落，可以附著在CB上[14]。

在我國(guó)，來自青島的沙塵暴檢測(cè)報(bào)告表明，2010年3月青島沙塵暴期間空氣樣本中總微生物濃度比非沙塵暴期間微生物濃度增加了118.6%[15]。因此，上述結(jié)果提示，大氣顆粒物可以作為微生物的載體。大氣顆粒物PM2.5在攜帶和傳播微生物過程中起重要作用。北京市的一次嚴(yán)重霧霾事件中，研究人員在收集的PM2.5樣本中檢測(cè)到48種常見的細(xì)菌、2種真菌和3種病毒。這些微生物主要來源于自然界和人類。細(xì)菌主要包括放線菌(昏暗地嗜皮菌)、腸桿菌和葡萄球菌等；病毒主要包括腺病毒C和流感病毒，而真菌中最多見煙曲霉菌[16]。青島等其他城市的空氣監(jiān)測(cè)報(bào)告也表明，PM2.5所附著的微生物種類均大體相同，只是相對(duì)濃度隨地區(qū)的改變而改變[17]。

此外，室內(nèi)空氣中采集的大氣顆粒物中也檢測(cè)到微生物。Moon等[18]發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)大氣顆粒物樣本中含有的微生物種類主要包括芽孢桿菌、微球菌、腸桿菌、腺病毒、流感病毒和曲霉菌等。其中，葡萄球菌是室內(nèi)懸浮細(xì)菌的主要類型(約占49%～61.3%)，腺病毒和甲型流感病毒是室內(nèi)空氣中主要的病毒種類。因此，PM2.5作為微生物載體，能攜帶多種微生物，而且其種類基本相同。

2 影響微生物存活的環(huán)境條件(Environmental conditions affecting the survival of microorganisms)

研究表明，大氣顆粒物上所吸附的微生物存活受到周圍環(huán)境的影響，其濃度和活性是動(dòng)態(tài)變化的，與溫度、季節(jié)、區(qū)域和濕度等環(huán)境條件有關(guān)。2016年9月至2017年7月在青島開展的一項(xiàng)調(diào)查顯示，大氣顆粒物中總微生物濃度在春季和冬季最高，夏季和秋季濃度最低[17]，同時(shí)微生物活性與溫度呈負(fù)相關(guān)[19]。這表明，通過大氣顆粒物傳播病原微生物的活性可能也受到溫度的影響，這可能是流感病毒等通過空氣傳播型病毒造成疾病季節(jié)性流行的證據(jù)之一[20]。據(jù)最新的研究報(bào)道，新型冠狀病毒(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2, SARS-CoV-2)在10 ℃≤外界溫度≤20 ℃時(shí)，相較于其他溫度區(qū)間，具有最強(qiáng)烈的活性，即傳染性和致病性[21]。

大氣顆粒物中微生物的濃度也和區(qū)域有關(guān)。大氣顆粒物中微生物物種豐富度和多樣性在郊區(qū)和城市中心存在差異。這歸因于郊區(qū)裸露的土壤，郊區(qū)大氣顆粒物上富含土壤來源的微生物且總微生物濃度較城市中心更高[22]。另外，富含濕度的顆粒物可能有利于微生物的生長(zhǎng)和存活[18,23-24]，如空氣傳播的真菌在熱帶雨林的大氣中所占的比例高達(dá)45%，而北京的大氣顆粒物中真菌占比不到6%[16,25]。另外，相對(duì)濕度在病毒傳播中也起到重要作用。最新的研究表明，SARS-COV-2的擴(kuò)散速率在北半球的溫帶地區(qū)達(dá)到峰值，平均溫度為5 ℃，平均氣壓壓強(qiáng)為0.6～1.0 kPa，而在較熱和較冷的地區(qū)則有所下降[26]。

3 大氣顆粒物上吸附的病原微生物與疾病流行之間的內(nèi)在聯(lián)系(Intrinsic connection between pathogenic microorganisms in PM and disease prevalence)

針對(duì)大氣顆粒物PM2.5上附著的可吸入微生物種類而言，其不僅包括對(duì)人無(wú)害的微生物，還包括少量病毒、細(xì)菌和真菌等各種對(duì)人體有害的病原體[16,27-29]?？諝鈧鞑サ暮粑纻魅静《嘤刹《疽穑杉?xì)菌和真菌引起的疾病較少[30]。當(dāng)致病微生物侵入人體后，產(chǎn)生一系列炎癥反應(yīng)，進(jìn)而危害人體健康。其中，細(xì)菌和真菌可引起過敏反應(yīng)，并產(chǎn)生細(xì)胞毒素，如外毒素、內(nèi)毒素和真菌毒素，引起毒性效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致不良的健康效應(yīng)[31]。PM2.5吸附的病原微生物的主要組成成分如表1所示。

表1 PM2.5吸附的病原微生物的主要組成成分Table 1 The main component of pathogenic microorganisms attached to PM2.5

由于PM2.5粒徑較小，沉降速度小，可在空氣中停留較長(zhǎng)時(shí)間。利用斯托克斯定律計(jì)算，顆粒物直徑越小，沉降速度越低，例如，空氣動(dòng)力學(xué)直徑為10 μm的粒子，17 min下降3 m，然而空氣動(dòng)力學(xué)直徑為5 μm的顆粒物下降3 m需67 min[32]。這奠定了PM2.5長(zhǎng)距離傳播的基礎(chǔ)。當(dāng)強(qiáng)風(fēng)將微生物從土壤或海洋中吹起時(shí)，被顆粒物吸附，可被運(yùn)到數(shù)百千米以外[33]。研究表明，PM2.5中上附著的細(xì)菌病原體經(jīng)過長(zhǎng)距離傳播后仍具有生理活性，表現(xiàn)出對(duì)人體的致病性[28,34]。此外，由于病毒和真菌這類病原體體積小，被顆粒物吸附后，再通過空氣廣泛傳播，引起各種空氣傳染性疾病[20,35]。這有力地支持流感大流行的可行性。

自2019年12月開始，SARS-CoV-2爆發(fā)并在全球大流行[36]。中國(guó)武漢大學(xué)藍(lán)柯團(tuán)隊(duì)的研究表明，武昌方艙醫(yī)院院區(qū)空氣氣溶膠中存在SARS-CoV-2 RNA[37]。意大利新型冠狀病毒肺炎流行區(qū)域貝加莫地區(qū)的毒理學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，連續(xù)3周在該地區(qū)收集到的34份大氣顆粒物樣本存在SARS-CoV-2 RNA，率先證實(shí)大氣顆粒物能夠作為SARS-CoV-2的載體廣泛傳播[38]。此外，最新的研究表明，SARS-CoV-2確診病例的增加與空氣質(zhì)量指數(shù)和PM2.5濃度呈正相關(guān)，即SARS-CoV-2傳染性與大氣顆粒物污染程度呈正相關(guān)[21,39]。同時(shí)，美國(guó)Vincent團(tuán)隊(duì)也發(fā)現(xiàn)了SARS-CoV-2在氣溶膠老化3 h后仍可保持毒性[40]。這些結(jié)果表明，具有傳染活性的SARS-CoV-2可能持續(xù)存在并吸附在空氣細(xì)顆粒物上并隨之?dāng)U散傳播，進(jìn)而導(dǎo)致新冠肺炎的流行。因此，研究結(jié)果提示，大氣顆粒物在SARS-CoV-2傳播過程中起到重要的作用。

PM2.5攜帶的病原體對(duì)人體的致病機(jī)制和單純的病原感染有所差異。臨床毒理學(xué)研究表明，多種病原體誘發(fā)呼吸系統(tǒng)相關(guān)疾病的發(fā)病率與PM2.5濃度成正比，PM2.5可增強(qiáng)可吸入病原體的毒力，即可吸入病原體和PM2.5的毒性效應(yīng)具有協(xié)同性，具體研究?jī)?nèi)容如表2所示。

表2 可吸入病原體和PM2.5的協(xié)同性毒性效應(yīng)Table 2 The synergistic toxic effects of inhalable virus and PM2.5

4 大氣顆粒物對(duì)所附著的微生物性質(zhì)的影響(Influence of particulate matter on attached microorganisms)

4.1 增強(qiáng)病毒顆粒的穩(wěn)定性

大氣顆粒物不僅攜帶病毒顆粒，還攜帶多種有機(jī)和無(wú)機(jī)物質(zhì)，病毒顆粒與這些有機(jī)或無(wú)機(jī)物質(zhì)相互作用，其穩(wěn)定性可能發(fā)生改變。病毒的穩(wěn)定性受多種因素的影響，其中2種最主要的機(jī)制是病毒顆粒之間的相互作用和病毒顆粒與其他物質(zhì)的結(jié)合[45-47]。據(jù)報(bào)道，病毒可在細(xì)胞內(nèi)形成聚集體，細(xì)胞破裂時(shí)聚集體仍存在[48]。病毒聚集體可以改善病毒粒子在環(huán)境中的穩(wěn)定性，甚至可以提高對(duì)含氯消毒液的耐受性[49]。病毒聚集體的形成受大氣顆粒物中水溶性鐵離子等混合物的共同影響[47]。此外，自然有機(jī)物質(zhì)(natural organic matter, NOM)也可提高病毒顆粒的持久性。柯薩奇B5病毒是一種常見的經(jīng)呼吸道途徑傳播的病毒。研究表明，與對(duì)照組相比，經(jīng)熱暴露后，與NOM中疏水組分混合的柯薩奇B5病毒活性沒有顯著降低[50]。結(jié)果提示NOM成分對(duì)病毒顆粒有保護(hù)作用，這可能是PM2.5能夠攜帶病毒保持其生理活性的原因之一。NOM的疏水性成分復(fù)雜多樣。NOM的具體類型如表3所示。

表3 自然有機(jī)物質(zhì)(NOM)中可增強(qiáng)病毒熱穩(wěn)定性的主要成分Table 3 The main components of natural organic matter (NOM) that enhance the thermal stability of virus

進(jìn)一步研究表明，NOM中的有機(jī)成分如細(xì)菌包膜成分脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)和肽聚糖能夠增強(qiáng)微生物的熱穩(wěn)定性和病毒衣殼的完整性。當(dāng)溫度升高時(shí)，不斷升高LPS濃度可以逐漸延緩脊髓灰質(zhì)炎病毒核酸的釋放，從而增加病毒的穩(wěn)定性[10,50,52]。研究人員發(fā)現(xiàn)，LPS通過結(jié)合脊髓灰質(zhì)炎病毒表面特異性衣殼蛋白，增強(qiáng)與細(xì)胞表面受體蛋白的親和力，從而增強(qiáng)了脊髓灰質(zhì)炎病毒對(duì)細(xì)胞的附著性和環(huán)境適應(yīng)性。然而，這個(gè)規(guī)律似乎不是對(duì)所有病毒均適用。另一組相似的病毒實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌或細(xì)菌包膜成分不能顯著增強(qiáng)呼腸孤病毒對(duì)細(xì)胞的附著[52]。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，顆粒物上吸附的病毒和細(xì)菌互相作用，病毒顆粒可通過減少自身裂解來促進(jìn)細(xì)菌生長(zhǎng)[53]。這提示，顆粒物附著的病毒顆粒在NOM以及細(xì)菌相互間復(fù)雜的作用模式，但是相關(guān)具體機(jī)制有待進(jìn)一步探索。

4.2 增強(qiáng)細(xì)菌的耐藥性

由于世界范圍內(nèi)各種抗生素的過度使用，大氣環(huán)境中的細(xì)菌存在多種抗生素耐藥基因(antibiotic resistance genes, ARGs)。另外，眾多研究闡明了大量不同種類的ARGs在PM2.5上存在和傳播的證據(jù)[54-55]。由于不同城市使用抗生素的總劑量和類型不同，環(huán)境中存在的ARGs類型也不盡相同。例如，不同地區(qū)大氣環(huán)境中，β-內(nèi)酰胺類抗生素抗性基因的相對(duì)濃度隨地區(qū)不同，在北京的大氣中，其是ARGs最主要類型，而在南非約翰內(nèi)斯堡的大氣環(huán)境中含量很低[56]。

ARGs的遺傳途徑主要是2種方式：自我復(fù)制遺傳和水平基因轉(zhuǎn)移(horizontal gene tranfer, HGT)[57]。在質(zhì)粒等可移動(dòng)的細(xì)菌遺傳元件的幫助下，ARGs可以從一種細(xì)菌傳播到另一種細(xì)菌或從環(huán)境傳播到細(xì)菌。因此，以PM2.5為載體，ARGs能夠整合到不同地區(qū)的不同細(xì)菌中，從而增強(qiáng)了細(xì)菌抵抗抗生素的作用[58-59]，導(dǎo)致細(xì)菌感染的臨床診療更加復(fù)雜，抗生素的療效下降，增加細(xì)菌感染的重癥率。研究表明，在富含ARGs的城市固體廢物處理系統(tǒng)內(nèi)，空氣氣溶膠分離的蠟樣芽孢桿菌的ARGs載量顯著高于普通空氣中蠟樣芽孢桿菌的ARGs載量，這提示PM2.5能作為載體將ARGs整合到可吸入病原微生物的基因組中，增強(qiáng)致病菌對(duì)抗生素的耐受性，導(dǎo)致臨床診療的難度增加[60]。進(jìn)一步針對(duì)大氣顆粒物上的細(xì)菌進(jìn)行宏基因組測(cè)序發(fā)現(xiàn)，磺胺抗性基因sul1是微生物共存網(wǎng)絡(luò)中的一大基石，sul1通常位于1型整合子保守區(qū)域中，而1型整合子是攜帶ARGs到其他細(xì)菌的HGT元件，因此，推測(cè)sul1可能在ARGs轉(zhuǎn)移到細(xì)菌的過程中發(fā)揮關(guān)鍵性作用[54]。

PM2.5成分復(fù)雜，其組分主要通過提高ARGs豐度和改變細(xì)菌膜結(jié)構(gòu)影響細(xì)菌耐藥性。PM2.5中含有多種金屬和金屬離子，如鎂離子(Mg2+)、銅(Cu)和鉻(Cr)等。Mg2+已被證實(shí)是生化酶激活的重要部分，研究認(rèn)為它可以正向調(diào)節(jié)細(xì)菌菌落的ARGs豐度[22,54]。研究表明，土壤中Cu和Cr水平與ARGs呈正相關(guān)[61]，與Cu、Cr促進(jìn)攜帶有ARGs的質(zhì)粒發(fā)生HGT過程有關(guān)。PM2.5中的CB也改變細(xì)菌膜結(jié)構(gòu)。研究表明，CB使肺炎鏈球菌PR201的細(xì)胞膜變?yōu)榫哂袕?fù)雜突起和通道的結(jié)構(gòu)。石英顆粒是一種直徑與CB相似但化學(xué)活性低的微粒。然而，在石英單獨(dú)作用下，肺炎鏈球菌的膜結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化[62]。這個(gè)結(jié)果提示，CB可以通過某些生化反應(yīng)改變細(xì)菌膜結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步，將蛋白酶K和抗生素分別處理肺炎鏈球菌，發(fā)現(xiàn)經(jīng)CB處理后的肺炎鏈球菌對(duì)蛋白酶K的耐受性明顯下降，說明細(xì)菌生物膜中的蛋白含量較未經(jīng)CB處理組明顯上升。此外，經(jīng)CB預(yù)處理的肺炎鏈球菌，使用青霉素G處理后，青霉素G的最小抑菌濃度顯著升高[62]，結(jié)果提示，CB使肺炎鏈球菌的耐藥性升高。因此PM2.5可通過炭核促進(jìn)細(xì)菌耐藥性升高。

此外，PM2.5上也附著真菌等真核生物，但是真菌與PM2.5間相互作用關(guān)系及其性質(zhì)改變相關(guān)的研究目前較少，需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)確證。

5 大氣顆粒物所吸附致病微生物與疾病相關(guān)的毒性效應(yīng)(Disease-related toxic effects on pathogenic microorganisms in PM)

5.1 病毒的致病性

人體的非特異性免疫反應(yīng)主要是由干擾素和各類細(xì)胞因子介導(dǎo)的。當(dāng)病毒侵襲宿主細(xì)胞時(shí)，相關(guān)細(xì)胞信號(hào)通路被激活從而細(xì)胞分泌各類細(xì)胞因子。當(dāng)病毒侵襲人體時(shí)，人體的先天性免疫和后天免疫會(huì)被相繼激活。病毒侵入人體后，首先激活先天性免疫。病毒粒子被巨噬細(xì)胞表面的模式識(shí)別受體識(shí)別，激活巨噬細(xì)胞內(nèi)的TLR3和RIG-I信號(hào)通路并產(chǎn)生各種免疫因子，譬如Ⅰ型干擾素(IFN)等[63]。其中IFN是一種促進(jìn)細(xì)胞因子和免疫因子分泌的特異性抗病毒糖蛋白[64]。此外，病毒侵染的細(xì)胞也產(chǎn)生多種IFN，包括有IFN-β和IFN-γ。研究證實(shí)，水泡性口炎病毒(vesicular stomatitis virus, VSV)的RNA在侵入細(xì)胞后能激活TBK1-IRF3信號(hào)通路、MAPK信號(hào)通路，促進(jìn)感染細(xì)胞能產(chǎn)生IFN-β以應(yīng)對(duì)病毒感染[65-66]。與此同時(shí)，CD4+T細(xì)胞接受抗原呈遞后，后天免疫也參與病毒免疫。

大量的臨床病例分析發(fā)現(xiàn)，病毒的復(fù)制水平與PM2.5呈濃度相關(guān)性增長(zhǎng)[67-70]。Dolci等[68]對(duì)人類多瘤病毒做定量分析發(fā)現(xiàn)，PM2.5濃度每提高1 μg·m-3，病人血液中病毒載量就會(huì)同比升高3.6%。血液中病毒載量的提高，不僅增加了病人感染病毒后的疾病風(fēng)險(xiǎn)，而且病人住院率和疾病預(yù)后也隨之提高和惡化。

此外，大量的毒理學(xué)研究表明，PM2.5和病毒的協(xié)同毒性效應(yīng)主要分成5個(gè)方面：促進(jìn)病毒復(fù)制、增強(qiáng)細(xì)胞凋亡、抑制抗病毒因子的表達(dá)、調(diào)控細(xì)胞表觀遺傳和增強(qiáng)自身免疫反應(yīng)。

5.1.1 促進(jìn)病毒復(fù)制的作用

近年來流式細(xì)胞術(shù)的運(yùn)用也推動(dòng)了PM2.5體外作用機(jī)制的研究。研究發(fā)現(xiàn)，隨著PM2.5濃度的提高，流式細(xì)胞儀檢測(cè)到VSV感染的A549細(xì)胞內(nèi)某種粒子結(jié)構(gòu)增大以及VSV病毒復(fù)制增強(qiáng)，這提示PM2.5可能被細(xì)胞吞噬入內(nèi)[69]。Lambert等[71]將呼吸道合胞病毒(respiratory syncytial virus, RSV)感染的小鼠單獨(dú)暴露于CB一周后發(fā)現(xiàn)，CB并不能促進(jìn)RSV的復(fù)制，但是，進(jìn)一步分離小鼠的巨噬細(xì)胞，分析發(fā)現(xiàn)CB能下調(diào)tnf-α和ip-10 mRNA的轉(zhuǎn)錄水平。IP-10是一種作用于Th1細(xì)胞上CXCR3受體的趨化因子，能招募各類淋巴細(xì)胞增強(qiáng)免疫應(yīng)答[72]。因此，CB可能主要是通過調(diào)控Th1/Th2細(xì)胞平衡來調(diào)節(jié)抗病毒免疫而不能直接促進(jìn)病毒復(fù)制。Clifford等[73]發(fā)現(xiàn)PM10中的鐵離子與病毒復(fù)制呈正相關(guān)。人類骨髓細(xì)胞系THP-1體外培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)也證實(shí)游離鐵離子能下調(diào)細(xì)胞內(nèi)新喋呤表達(dá)，減少色氨酸降解從而下調(diào)IFN-γ的表達(dá)水平[74]。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示，游離鐵離子可能是病毒感染細(xì)胞后，促進(jìn)病毒復(fù)制的主要催化劑。

5.1.2 促進(jìn)細(xì)胞凋亡方面的作用

細(xì)胞的凋亡主要是由半胱天冬氨酸酶-3和半胱天冬氨酸酶-9介導(dǎo)進(jìn)行的[75]。在VSV和PM2.5共暴露的A549細(xì)胞模型中，蛋白定量分析可知，半胱天冬氨酸酶-3和半胱天冬氨酸酶-9的前體蛋白表達(dá)水平與PM2.5暴露濃度(0、100和200 μg·mL-1)呈負(fù)相關(guān)性。同時(shí)，使用流式細(xì)胞儀檢測(cè)也進(jìn)一步證實(shí)，相較于VSV單一暴露的A549細(xì)胞，VSV預(yù)處理后，隨著PM2.5濃度(0、50、100和200 μg·mL-1)和暴露時(shí)間(3、6、12和24 h)的增加，A549細(xì)胞凋亡的比率增高，其結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異[69]。PM2.5可通過氧化應(yīng)激反應(yīng)，進(jìn)而抑制細(xì)胞活性和促進(jìn)細(xì)胞凋亡，而VSV也可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[76-77]。因此，我們推測(cè)PM2.5和VSV共同作用下，能夠協(xié)同誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。

5.1.3 抑制抗病毒因子表達(dá)的作用

在PM2.5與VSV或柯薩奇B5病毒等共暴露的細(xì)胞模型中，蛋白定量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，干擾素IFN-β、IFN-γ等以及CCL-5和CXCL-10等細(xì)胞因子的表達(dá)水平均顯著下降[69-70,78]。在VSV-PM2.5共暴露的細(xì)胞模型中，TBK1-IRF3信號(hào)通路中的TBK1、IRF-3和磷酸化IRF-3蛋白的表達(dá)量均下降。但有意思的是，MAPK信號(hào)通路中的磷酸化P38和ERK1/2蛋白的表達(dá)量上升[69]。雖然MAPK信號(hào)通路也能夠誘導(dǎo)IFN-β的表達(dá)和分泌，但是TBK1-IRF3信號(hào)通路是介導(dǎo)IFN-β分泌的主要信號(hào)通路[79]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)蛋白泛素化抑制劑MG132預(yù)處理后，VSV-PM2.5誘導(dǎo)的磷酸化IRF-3蛋白水平升高，提示PM2.5可能是通過抑制磷酸化IRF-3蛋白泛素化降解，進(jìn)而抑制IFN-β的分泌[69]。此外，相較于無(wú)PM2.5暴露組，將PM2.5預(yù)暴露一周后的小鼠感染流感病毒后，小鼠的IFN-β分泌水平及其下游基因寡腺苷酸合成酶-1的表達(dá)水平均降低[67]。

5.1.4 調(diào)控細(xì)胞表觀遺傳水平

組蛋白修飾酶對(duì)組蛋白進(jìn)行化學(xué)修飾，這些化學(xué)修飾包括：組蛋白的甲基化、乙?；?、磷酸化和泛素化等，進(jìn)而對(duì)啟動(dòng)子、增強(qiáng)子結(jié)合的組蛋白進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到調(diào)節(jié)基因表達(dá)水平的目的。組蛋白甲基化酶Kdm6a在調(diào)節(jié)IFN-β基因表達(dá)過程中發(fā)揮重要的作用，可通過增強(qiáng)ifnb1基因增強(qiáng)子的活性，最終上調(diào)IFN-β的表達(dá)和分泌水平[80]。體外培養(yǎng)的原代小鼠巨噬細(xì)胞經(jīng)PM2.5暴露48 h后，組蛋白甲基化酶Kdm6a的蛋白水平明顯下降。進(jìn)一步使用核染色質(zhì)免疫沉淀實(shí)驗(yàn)方法，檢測(cè)位于IFN-β基因啟動(dòng)子上結(jié)合的組蛋白H3K4和H3K9甲基化位點(diǎn)，結(jié)果顯示這2個(gè)位點(diǎn)的甲基化水平明顯下降。結(jié)果提示，PM2.5對(duì)免疫細(xì)胞的表觀遺傳水平也有顯著影響。

5.1.5 增強(qiáng)自身免疫反應(yīng)

Th1細(xì)胞和Th2細(xì)胞等特異性免疫調(diào)節(jié)細(xì)胞在抗病毒反應(yīng)中也發(fā)揮了重要作用。Th1細(xì)胞能分泌IFN-γ等細(xì)胞因子抵御病毒感染，而Th2細(xì)胞分泌IL-4等免疫因子，以及促進(jìn)IgE介導(dǎo)的I型免疫反應(yīng)。當(dāng)Th1/Th2細(xì)胞比例升高，Th1細(xì)胞調(diào)控占主導(dǎo)地位時(shí)，機(jī)體對(duì)病原體感染的免疫應(yīng)答增強(qiáng)，而Th2細(xì)胞調(diào)控占主導(dǎo)地位時(shí)，機(jī)體對(duì)超敏反應(yīng)等自身免疫的應(yīng)答增強(qiáng)，故Th1/Th2細(xì)胞比例對(duì)機(jī)體免疫反應(yīng)的調(diào)控有重要作用。研究表明，柴油機(jī)廢氣細(xì)顆粒物暴露后，小鼠體內(nèi)Th2細(xì)胞相關(guān)細(xì)胞因子表達(dá)相對(duì)Th1增加，Th1/Th2比例失調(diào)從而引起抗病毒免疫抑制[81-82]。PM2.5(1.6、8.0和40.0 mg·kg-1)暴露的小鼠實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PM2.5通過能改變介導(dǎo)Th1/Th2相關(guān)細(xì)胞因子分泌的轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)，進(jìn)而改變Th1/Th2水平，如下調(diào)Th1細(xì)胞中介導(dǎo)IFN-γ分泌的T-bet因子表達(dá)以及上調(diào)Th2細(xì)胞中介導(dǎo)IL-4分泌的STAT6和GATA-3因子表達(dá)[82-85]。此外，近年研究結(jié)果證實(shí)，PM2.5可作用于Th17免疫細(xì)胞，以調(diào)控抗病毒免疫水平。Th17細(xì)胞分泌的IL-17聯(lián)合TNF-α等炎癥因子增強(qiáng)自身免疫反應(yīng)[86]。PM2.5和柯薩奇B5病毒共同暴露的小鼠實(shí)驗(yàn)證明，Th17細(xì)胞數(shù)目、IL-17和調(diào)節(jié)IL-17表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子RORγt表達(dá)水平顯著升高，此外，柯薩奇B5病毒感染引起的心肌自身免疫損傷，在PM2.5的作用下顯著增強(qiáng)[70]。綜上所述，PM2.5主要通過以上5種機(jī)制調(diào)控細(xì)胞抗病毒免疫反應(yīng)，主要的作用靶點(diǎn)如表4所示。

表4 PM2.5調(diào)控細(xì)胞抗病毒免疫反應(yīng)主要靶點(diǎn)Table 4 Main targets of anti-viral immunoreactions regulated by PM2.5

5.2 細(xì)菌的致病性

PM2.5同樣能影響機(jī)體的抗細(xì)菌免疫應(yīng)答。大量的研究表明，PM2.5主要是通過下調(diào)IL-17、IFN-γ和TNF-α等炎癥因子的表達(dá)水平來抑制機(jī)體對(duì)細(xì)菌的免疫應(yīng)答[87-88]。

除去體外細(xì)菌來源的感染，位于體內(nèi)上呼吸道和消化道的定植細(xì)菌也是引起機(jī)體細(xì)菌感染的重要來源。健康人體的咽喉黏膜表面定植有大量的肺炎鏈球菌和金黃色葡萄球菌，若咽喉的細(xì)菌定植到下呼吸道，則能引發(fā)下呼吸道的細(xì)菌感染。研究表明，將健康小鼠暴露在無(wú)菌的CB 7 d后，小鼠肺泡灌洗液中檢測(cè)出肺炎鏈球菌的存在[62]。由此可以推測(cè)PM2.5能促進(jìn)上呼吸道細(xì)菌向下呼吸道的遷移和定植。類似地，有文獻(xiàn)報(bào)道，PM10能通過抑制腸壁巨噬細(xì)胞和促進(jìn)炎癥因子的表達(dá)間接增加了腸道的通透性，促進(jìn)腸道細(xì)菌侵入門靜脈引發(fā)菌血癥即血液中出現(xiàn)微生物[88]。

5.3 真菌的致病性

真菌本身可以通過多種方式引起毒性效應(yīng)，主要包括有三大類：過敏反應(yīng)(哮喘、過敏性鼻炎)、感染(曲霉病)和中毒性反應(yīng)(β-1,3-葡聚糖中毒反應(yīng))[89-91]。這歸因于PM2.5顆粒比表面積大，其上吸附大量真菌容易隨之沉積在肺部，進(jìn)而引發(fā)疾病。通過體外培養(yǎng)研究還發(fā)現(xiàn)，真菌分解底物能刺激人體出現(xiàn)一些非特異性癥狀，如咽喉疼痛不適等[92]。此外，有文獻(xiàn)報(bào)道，真菌孢子裂解產(chǎn)生的碎片同樣對(duì)人體健康產(chǎn)生巨大威脅[93]。Górny等[94]使用光學(xué)粒子測(cè)量器測(cè)量發(fā)現(xiàn)，在同等條件下，真菌碎片釋放到空氣中的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于孢子(最多達(dá)320倍)，并且釋放的體積更小，更易被吸入呼吸道深處。對(duì)真菌碎片進(jìn)行特異性酶聯(lián)免疫吸附實(shí)驗(yàn)證實(shí)，真菌碎片中依然存在相對(duì)應(yīng)真菌的特異性抗原[94]。這表明真菌碎片也同時(shí)存在生物學(xué)意義，能刺激機(jī)體免疫系統(tǒng)并引發(fā)毒性反應(yīng)。

6 結(jié)論和展望(Conclusion and prospects)

雖然近年空氣污染相關(guān)的科學(xué)研究有較大的進(jìn)展，但是大氣顆粒物上附著的病原微生物這一研究方向未受到足夠的重視。大氣顆粒物是空氣中細(xì)菌、真菌和病毒的良好載體，得益于大比表面積，攜帶著各種病原體的大氣顆粒物能夠隨風(fēng)傳播和擴(kuò)散，極易引起流感等傳染病的流行。此外，大氣顆粒物能增強(qiáng)病毒粒子的熱穩(wěn)定性以及通過ARGs的傳播增強(qiáng)環(huán)境中細(xì)菌的耐藥性，增加了呼吸道感染的機(jī)會(huì)和治療的難度。遺憾的是，關(guān)于大氣顆粒物中病原體的來源、分布、傳播以及相互作用機(jī)制的研究沒有深入展開?；谀壳暗难芯壳闆r，筆者認(rèn)為未來相關(guān)研究可以從以下3個(gè)方面開展。對(duì)大氣顆粒物中耐藥菌開展監(jiān)測(cè)，可以提供常見耐藥菌的種類和比例數(shù)據(jù)，為抗生素的使用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。其次，大氣顆粒物中的病原體分布受到多方面因素的影響，但現(xiàn)階段的研究?jī)H停留在定性研究上，對(duì)病原體傳播擴(kuò)散機(jī)制以及活性改變?nèi)鄙佥^為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)模型。另外，目前的大氣顆粒物毒理學(xué)主要針對(duì)呼吸道感染，而消化系統(tǒng)等其他系統(tǒng)感染的毒理學(xué)研究仍是空白。