李志鹏, 韩 冰, 李志刚, 赵 峰, 魏永杰*

1.中国环境科学研究院， 环境基准与风险评估国家重点实验室， 北京 100012 2.保定市第二中心医院， 河北 保定 072750

哮喘是一种慢性疾病，不具备传染性，但在世界范围内却有很高的患病率，随着经济发展和人民生活水平的提高，哮喘的患病率也在逐年升高[1]. 喘息是哮喘患者最常见的症状，但引起哮喘症状的机制却十分复杂. 现有研究将哮喘分为嗜酸性粒细胞型哮喘、非嗜酸性粒细胞型哮喘和混合粒细胞型哮喘[2]. 嗜酸性粒细胞性哮喘存在更为广泛，该研究所指哮喘主要为嗜酸性粒细胞型哮喘. 至2019年，全球共有3亿哮喘患者[3]. 不同国家哮喘患病率差别较大，发展中国家人群哮喘患病率多在2%以下，而发达国家普遍偏高，澳大利亚地区哮喘患病率最高,达22%[4]. 一项对儿童哮喘的研究[5]指出，儿童哮喘患病率在不同国家差别较大，6～7岁儿童哮喘患病率最低为2.8%(印度尼西亚)，最高为37.6%(哥斯达黎加)；13～14岁儿童哮喘患病率最低为3.4%(阿尔巴尼亚)，最高为31.2%(英国马恩岛). 并且哮喘的流行病学数据有可能被低估，上述数据仅为已被医院确诊为哮喘的统计数据，而具有喘息症状的人群要更多. 我国哮喘发病率在世界各国中处于较低水平，但是近年来发病率逐年上升. 有研究[6]对我国16座城市8～12岁儿童近20年哮喘患病率进行了对比，发现相比1990年，2010年哮喘患病率上升了147%. 2019年对我国哮喘的统计结果[7]显示，20岁及以上成人哮喘患病率为4.2%，患病人数达 4 570×104人.

通过对哮喘发病的危险因素分析可知，环境因素、哮喘家族史及过敏性鼻炎等都是导致哮喘发病的主要原因，其中环境因素发挥了最主要的作用[8]. 我国当前最严重的大气环境问题是大气颗粒物污染，其也是影响哮喘的最重要的因素之一. 研究[9]发现，大气颗粒物暴露会导致哮喘发病和症状恶化，颗粒物浓度与呼吸系统疾病呈正相关. 随着经济发展，高脂饮食在我国越来越普遍. 高脂饮食会造成全身代谢性疾病、肥胖，更易引起呼吸系统和心血管系统疾病的发生[10-11]. 因此，高脂饮食摄入与大气中PM2.5暴露的联合作用可能是导致哮喘症状加重和发病率增加的重要因素. 然而，目前已有研究中PM2.5暴露对肥胖群体哮喘患病影响的研究较少. 研究PM2.5暴露和高脂饮食对健康的影响，深入探讨二者联合作用与哮喘疾病症状的关联性，并研究哮喘的发病机制，以期为更好地理解和干预哮喘发病提供新的思路.

1 PM2.5对哮喘的影响

随着我国工业化和城市化进程的加快，大气污染程度也显著增加，2018年生态环境部发布数据显示，全国338个地级及以上城市中仅有121个城市环境空气质量达标，占全部城市数的35.8%；217个城市环境空气质量超标，占全部城市数的64.2%，全国PM2.5全年超标天数比例为9.4%[12]. 与往年相比，环境空气质量有所改善，但PM2.5污染形势仍旧严峻. 呼吸系统是机体与外环境直接连通的器官. 大气中的有害污染物首先影响呼吸系统，导致包括哮喘在内的多种呼吸系统疾病的发生. PM2.5暴露会促进炎症反应，导致免疫功能障碍，增加呼吸系统疾病和心血管疾病的发病率和死亡率[13-16]. 研究[17]表明，颗粒物暴露与哮喘住院率呈正相关，且PM2.5对健康的影响远大于PM10. 当ρ(PM2.5)大于38.98 μgm3时，非吸烟人群患COPD (chronic obstructive pulmonary disease，慢性阻塞性肺病)的风险显著增加[18]. 因此，研究PM2.5对人群的影响对于保护人群健康，预防疾病具有重要的意义.

PM2.5由于具有复杂的化学组分，其暴露对健康的影响非常复杂，涉及到多种组织和器官. 大量研究[19-21]表明，PM2.5暴露会引发或加剧炎症反应. 吸入的PM2.5会沉积在呼吸道并不断积累，损伤免疫细胞，包括巨噬细胞、上皮细胞、树突状细胞和淋巴细胞等[19]. 肺泡巨噬细胞和树突状细胞是主要的APC (antigen-presenting cells，抗原呈递细胞)，同时巨噬细胞还作为第一道防线参与先天免疫[20]. PM2.5被APC呈递给T淋巴细胞，引起特异性免疫机制，引发Th2 (T helper lymphocytes type 2，2型T辅助淋巴细胞)炎症反应[20]. 巨噬细胞具有两种类型，分别是M1 (1型巨噬细胞)和M2 (2型巨噬细胞). M1和M2的平衡在炎症产生和发展中发挥着重要的作用[21]. PM2.5暴露会使巨噬细胞炎性M1极化增强，并且抑制抗炎性M2极化[21].

在嗜酸性粒细胞型哮喘中，Th2细胞被激活，机体内多种促炎症细胞因子〔如IL (Interleukin，白介素) 等〕表达水平发生变化，IL在机体内存在多个亚型，包括IL-1β、IL-2、IL-4、IL-5、IL-6、IL-13、IL-18等[22]. Th1 (T helper lymphocytes type 1，1型T辅助淋巴细胞)细胞被抑制，机体内γ干扰素表达水平下调，加重哮喘炎症[22]. 而通过动物试验研究表明，PM2.5暴露会导致小鼠肺泡灌洗液中γ干扰素表达下调，IL-4与IL-13的表达和嗜酸性粒细胞的数量均上调[22]，使小鼠哮喘炎症恶化；同时，锌指蛋白3与T盒转录因子是控制T淋巴细胞分化的关键因子，是哮喘的免疫学基础，哮喘会激活锌指蛋白3，并抑制T盒转录因子[23]. PM2.5暴露使过敏性哮喘大鼠的体内锌指蛋白3表达上调，T盒转录因子表达下调[22-23]，使哮喘症状进一步恶化.

PM2.5还会涉及到TLRs (TOLL-Like receptor protein，TOLL样受体)并导致哮喘炎症反应[24]. TLRs是连接先天免疫和获得性免疫的桥梁,在机体中存在多种亚型，包括TLR4和TLR2. TLR信号通过MyD88 (myeloid differentiation factor 88, 髓样分化因子88)的募集而传递. 研究[25]发现，TLR4和TLR2都参与了对PM2.5的识别，特别是TLR4起到了重要作用. PM2.5会通过激活MyD88TLRs信号通路致使鼠肺脏的过敏性炎症恶化[26]，并调控炎症因子IL-1β、IL-5和IL-13在体内的浓度水平以及嗜酸性粒细胞趋化因子和单核细胞趋化蛋白在体内的水平，这都会使哮喘的症状加重. 在高浓度PM2.5暴露下，外周血单核细胞中TLR4的表达增加，TLR4的激活增强了Th2淋巴细胞的响应，从而加重哮喘症状或引起哮喘发病. 此外，通过敲除TLR4和内毒素中和剂多粘菌素B能抑制PM2.5引起的炎症反应[19]. 因此，TLRs介导的MyD88信号通路在哮喘炎症的发生与发展中发挥了重要作用[21]. 研究[27]发现，复方精油可通过抑制MyD88信号通路发挥保护作用，缓解PM2.5暴露所引发的哮喘症状.

2 高脂饮食的危害

随着我国经济的快速发展，人民生活水平不断提升，居民饮食结构也在随之改变，特别是以高脂饮食为主的西方饮食结构已经广泛进入家庭，这在经济发展较快的城市表现尤为突出，由此导致超重或肥胖的发病率迅速上升[28]. 流行病学研究中将6种疾病(高血压、超重、肥胖、糖尿病、高血脂、高尿酸)的患病率按照年龄分层后发现，6种慢性病患病率均呈上升趋势，其中高血脂上升最为明显，2014年相较2019年上升了26.35%[29]. 另一项对北京市居民肥胖流行现状的研究[28]指出，北京市18～65岁成年居民平均超重、肥胖率分别为37.40%与19.84%，高于全国平均水平的32.4%与14.1%；并且城郊人群相比于市区人群更易发胖，可能与生活条件改善、饮食结构发生大幅改变相关[28]. 2015年国务院发布的《中国居民营养与慢性病状况报告(2015)》指出，人群摄入能量的来源中脂肪的供能比在增加，微量元素摄入量下降，超重率和肥胖率相比于2002年分别上升了7.3和4.8百分点，慢性呼吸系统疾病患病率在升高[30].

2.1 肥胖对健康的影响

高脂饮食会对人体健康造成极大损伤，导致全身性炎症反应，其中包括哮喘和炎症. 通过流行病学调查发现肥胖人群患哮喘风险更高[31]，且肥胖人群会表现出更复杂的哮喘症状，伴随着更频繁和更剧烈的恶化[32]. 典型的Th2细胞相关的哮喘炎症会由于肥胖而变得复杂. 如肥胖会导致嗜酸性粒细胞进入气道的转运方式发生改变，从而使嗜酸性粒细胞型哮喘炎症在肥胖患者体内发生改变[11]. 相比于非哮喘人群，哮喘患者的BMI (body mass index, 体质指数)要高44%～48%[33]. 并且有研究[34]发现，相比于正常体型的哮喘患者，肥胖的哮喘患者痰液中的中性粒细胞更多，非肥胖哮喘患者痰液中中性粒细胞比例为37.8%±21.9%，肥胖哮喘患者痰液中中性粒细胞比例为50.8%±23.0%. 由于高脂饮食结构在我国逐渐普遍化，了解其对健康的影响尤为重要，这是准确理解经济和环境对人群健康影响的关键.

2.2 高脂饮食对哮喘的影响

动物试验结果[35]表明，高脂饮食会增加肺内固有淋巴细胞的数量，并通过IL-1β途径诱导气道高反应和喘息症状. 对哮喘小鼠模型的研究[36]表明，高脂饮食会导致全身代谢功能障碍，引发气道高反应和加剧气道的氧化应激反应从而使哮喘症状恶化. 高脂饮食会引起小鼠肠道微生物群结构改变. 肠道微生物群在膳食纤维的发酵和短链脂肪酸的生成中发挥了关键作用[37-38]. 高脂类食物通常脂肪含量高，可溶性纤维含量低. 低纤维膳食会导致肠道微生物群和短链脂肪酸发生变化，在肥胖患者的肠道和哮喘患者的肺中拟杆菌门细菌均有减少[37]，这可能与哮喘的发病相关. 机体在摄入脂类并消化后,循环脂肪酸水平会升高[38]. 摄入过多的饱和脂肪酸会加重哮喘和炎症，降低哮喘药物(如支气管扩张剂)的效果[39]. 高脂饮食还会导致体内丙酸盐水平降低，低剂量丙酸盐与过敏性哮喘相关. 体内丙酸盐水平升高会导致树突细胞对于Th2型免疫反应的促进能力减弱，从而减弱过敏性哮喘症状[40]. 综上，高脂饮食会导致肠道微生物群变化，从而引起肥胖和过敏性哮喘.

体内高水平的循环脂肪酸，尤其是饱和脂肪酸会通过多种机制来产生炎症反应，导致哮喘的发生和发展[41]. 脂肪酸作为配体会被TLRs或NLRs (N-Like receptor protein，核苷酸结合寡聚化结构样受体)等受体识别，从而激活先天免疫系统[42]. 脂肪酸与这些受体结合会触发促炎症通路，如脂肪酸与NLRs结合，刺激机体释放IL-1β，脂肪酸还会与NF-κB (nuclear factor kappa B，核因子κB)结合，激活NF-κB，释放出多种炎症趋化因子〔如TNF (tumor necrosis factor，肿瘤坏死因子)-α和IL-6〕[42]. 脂肪酸诱导的炎症也可以通过FABP (fatty acid-binding protein，脂肪酸结合蛋白)发生[43]. FABP在细胞内负责运输脂肪酸，FABP2是脂肪酸结合蛋白的一种[43]. 研究[43]发现，嗜酸性粒细胞浸润气道要依赖于FABP2的活性.

研究[44-47]表明，过量的脂肪酸会诱导机体产生氧化应激和炎症，加重哮喘症状，并且会导致TLR2和TLR4的表达上调，NF-κB的活性增加，中性粒细胞计数量增加，TNF-α的表达上调，IL-6和CRP (C-reactive protein，C-反应蛋白)水平升高. 另有研究[48]表明，高脂饮食会导致痰液中中性粒细胞计数增加，以及痰液中TLR4的mRNA转录水平上调. 针对哮喘症状的常用药——物糖皮质类激素药物对于高脂饮食诱导的炎症效果甚微. 体内高脂饮食会诱导CH13L1的表达，而其产物CH13L1蛋白可能会导致机体产生哮喘症状[49].

高脂饮食摄入会引起肥胖，而肥胖与哮喘密切相关. 近年来我国肥胖症的患病率越来越高，这可能是哮喘患病率升高的一个重要原因. 高脂饮食摄入后，会使机体激活多种机制，作用于Th2免疫细胞，影响哮喘炎症；同时，高脂饮食摄入会降低传统哮喘治疗药物的效果，表明高脂饮食使哮喘的机制变得复杂.

3 哮喘发病的分子生物学机制

3.1 Th1细胞机制

Th1细胞在机体中受APC调控. APC的主要作用是识别抗原并传递信号. APC能分泌IL-18和IL-12，刺激自然杀伤细胞分泌γ干扰素[52]. 初始T细胞中存在γ干扰素受体，γ干扰素作用在受体上能激活STAT(Signal transducer and activator of transcription，转录活化蛋白)和T-bet(T-box expressed in T-cell, T盒转录因子)[52]，使初始T细胞开始向Th1细胞分化. 最终在IL-18和IL-12共同作用下，刺激Th1产生γ干扰素，对炎症产生影响[52].

3.2 Th2细胞机制

Th2细胞是初始T细胞在IL-4等细胞因子的作用下，由锌指蛋白3的mRNA调控分化而来. Th2细胞亚群分泌的促炎症细胞因子在哮喘中发挥着重要作用[53]. IL-4、IL-9和IL-13影响内皮细胞、上皮细胞和参与哮喘气道重塑的成纤维细胞. IL-13和IL-4这两种细胞因子也对B细胞起作用，促进抗体类别转换，从而在接触过敏原后产生免疫球蛋白，引起哮喘[54].

3.3 Th1/Th2平衡机制

Th1/Th2失衡是哮喘发病的重要原因. Th1/Th2 细胞因子模型是由Mosmann等[55]于1986年提出. 活化的Th0 (初始T细胞)会受到多种因子调控，并能分化成Th1和Th2[55]. 锌指蛋白3调控Th0分化成Th2，并抑制Th0向Th1方向极化，在这个过程中IL-4 也发挥着重要作用，并抑制巨噬细胞的功能. T-bet调控Th0分化成Th1，并抑制Th0向Th2方向极化[55].

正常状态下，机体的Th1和Th2细胞处于动态平衡状态[55]. 当哮喘发生时，Th1和Th2细胞的表达水平会发生变化，Th2细胞被激活，Th1细胞被抑制，Th1/Th2下调. IL-4、IL-5等Th2所属细胞因子会在气道募集嗜酸性粒细胞，引起嗜酸性粒细胞浸润，从而引发哮喘[56]. 因此，可通过分析Th1和Th2细胞的变化来研究哮喘的发病机制.

4 结论与展望

a) 哮喘的发病机制非常复杂. 现有关于哮喘影响因素的研究中，多是在单一影响因子上进行，而对多种因素联合作用的研究很少. 高脂饮食和颗粒物暴露均是哮喘的影响因素，并且在日常生活中二者往往同时对人群健康产生影响. 我国很多城市颗粒物污染较严重，又因为经济迅速增长，居民饮食结构短期内变幅较大，使高脂饮食的影响更加剧烈. 因此，研究颗粒物暴露和肥胖群体哮喘发病的关系对于了解我国居民哮喘发病机制十分重要.

b) 哮喘属于炎症性疾病，颗粒物暴露对于哮喘所造成的影响主要与Th2炎症因子相关. PM2.5进入呼吸系统后，会激活Th2细胞分泌促炎症细胞因子，并抑制Th1细胞分泌γ干扰素，从而引发哮喘或加重哮喘症状；而高脂饮食摄入后也会通过Th1Th2的平衡机制影响哮喘炎症，使哮喘症状发生变化. 高脂饮食摄入后会通过Th2细胞加重哮喘症状，降低哮喘药物的治疗效果.

c) 哮喘炎症与MyD88TLRs信号通路密切相关，并且高脂饮食和颗粒物暴露均会导致MyD88TLRs的表达发生变化，因此研究MyD88TLRs信号通路是了解高脂饮食和颗粒物暴露联合作用对哮喘影响的重要途径. 所以，在二者联合作用对哮喘影响的研究中应从Th1/Th2平衡方向以及MyD88TLRs信号通路着手，通过构建动物模型探究高脂饮食和颗粒物暴露联合作用时机体的Th1/Th2平衡变化.T-bet和锌指蛋白3基因是控制Th1/Th2平衡的一对基因，通过检测二者的表达水平可以更进一步说明Th1/Th2 平衡的变化.