王辰院士团队：大气细颗粒物污染与呼吸系统健康的关联

以大气污染为代表的环境问题已成为人类健康的巨大威胁，每年造成全球约九百万人过早死亡(Landrigan et al., 2018)。大气污染物主要包括可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)、超细颗粒物(PM1)、臭氧(O₃)、二氧化硫(SO₂)、二氧化氮(NO₂)和一氧化碳(CO)等，这些有毒物质常由呼吸道进入人体，损害最严重的是呼吸系统。2017 年全球疾病负担研究显示(GBD, 2017)，慢性呼吸疾病是仅次于心脑血管疾病和恶性肿瘤的第三大慢性非传染性疾病，慢性阻塞性肺疾病(简称慢阻肺)和支气哮喘(简称哮喘)是最常见的慢性呼吸疾病。大气污染是慢阻肺和哮喘的主要危险因素(Wong et al., 2008)，大气污染对慢阻肺和哮喘患者的健康影响尚存许多问题待解答。

1 大气细颗粒物对呼吸系统健康影响的研究进展

大气颗粒物对呼吸系统的影响取决于颗粒物浓度、成分和粒径大小。其中，粒径是颗粒物最重要的性质之一，可决定最终于呼吸系统内的沉积部位和沉积量。如图所示，空气动力学直径大于10 μm 的颗粒物大部分阻留在鼻腔及咽喉部，而小于2 μm 的可沉积肺部，对人体危害最大，如PM1 和PM2.5。

▲不同粒径颗粒物在呼吸系统的沉积状况

颗粒物在肺部沉积是揭示颗粒物暴露与疾病发病率和死亡率相关性以及评价其毒性的重要因素，对颗粒物沉积的认识有利于减小健康风险。计算流体力学(CFD)可有效预测颗粒物在人体呼吸系统中的传输与沉积特性(Deng et al., 2019a)，这将为研究颗粒物毒理机制，弥散过程，产生的健康效应等方面提供重要帮助。目前，常通过环境流行病学研究(时间序列研究、队列研究、病例-对照研究、横断面研究以及定组研究)评价颗粒物对呼吸系统的急慢性健康影响。

PM2.5 对健康的影响

PM2.5 暴露的慢性健康效应队列研究多集中在欧美(Burnett et al., 2014; Lim et al., 2012)，我国仅香港(Wong et al., 2015)和台湾(Chuang et al., 2011)地区评价了PM2.5 的慢性效应。Wong 等(2015)研究发现，PM2.5 每升高10 μg/m³，呼吸疾病死亡风险增加5%。现有研究中以慢阻肺发病或死亡为终点结局事件的报道较少(Yin et al., 2017)，可能与观察时间过短，队列覆盖面窄有关。

另外，毒理学实验就PM2.5 以及其他粒径的颗粒物对呼吸系统的损害机制做了深入研究。发现PM2.5 能引起肺上皮细胞产生白介素-6(IL-6)、肿瘤坏死因子a(TNF-a)等炎性因子及mRNA 表达的增加，可诱导人支气管上皮细胞发生凋亡。而且研究提示不同粒径颗粒物对人外周血淋巴细胞DNA 有损伤作用，粒径越小对DNA 的损伤越大(Shrine et al., 2019)。意大利某市PM2.5 污染的健康影响研究中发现PM2.5 会引起染色体的畸变和可遗传突变(Nawrot et al., 2018)。

颗粒物的成分对健康也有危害，Burnett 等(2000)分析了加拿大8 个城市，测定了颗粒物中47 种元素浓度，得出细颗粒物中的硫酸盐离子、铁、镍和锌与死亡呈强烈相关，这四种成分的总健康效应大于细颗粒物质量浓度本身，这一现象表明细颗粒本身的特征可能要比其质量浓度更具有代表性。

PM1 对健康的影响

PM1 是近年逐渐被关注的一种空气动力学直径小于等于1 μm 的颗粒物，其在大气中停留时间比PM2.5 更长，更易进入人体肺部，对健康的影响比PM2.5 更显著。不过，PM1的观测更复杂，目前我国各地区普遍采用气溶胶质谱仪，通过测量颗粒物在粒径测量室的飞行时间，获得其空气动力学直径, 再经热表面气化和电子轰击电离后, 获得PM1 及各组分的质量浓度信息。有研究团队建立了出生队列，根据卫星遥感数据、气象数据、地面监测站数据和土地利用数据等推算每个孕妇暴露的PM1 浓度，分析发现孕早期、中期、晚期及整个孕期的PM1 暴露每增加10 μg/m³，会导致早产的发生风险分别增加7%、10%、4%和9%；与PM1 浓度小于34 μg/m³ 的低污染地区相比，PM1 浓度大于52 μg/m³的高污染地区孕产妇发生早产的风险增加36%(Atkinson et al., 2012)。波兰一项针对13～14 岁健康学龄儿童的定组研究发现，PM1 每升高1 个四分位数单位浓度，用力肺活量(FVC)和最大呼气峰流速(PEF)分别降低1.0%和4.4%(Zwozdziak et al., 2016)。我国一项26 个城市的研究发现，每日急诊就诊率有4.47%(95%CI：2.05%～6.79%)可归因于PM1污染(Chen et al., 2017c)。

中国学者观察我国大陆地区2013～2014 年PM1 的时空分布情况发现，全年PM1 与PM2.5 平均浓度比值(PM1/PM2.5)为0.75～0.88，PM1 浓度呈现“夏季低，冬季高”的季节特征，并且东北地区、华北平原、东部沿海地区和四川盆地PM1/PM2.5 超过0.9，而我国北方部分地区(新疆、西藏和内蒙古)PM1/PM2.5 低于0.7。大气污染严重时期的PM1/PM2.5高于相对清洁时期。通过比值计算可以发现，我国PM2.5 的主要成分为PM1，提醒发现并控制PM1 来源的重要性(Chen et al., 2018a)。

目前全球范围对PM1 的研究还很少，世界卫生组织(WHO)和各国环保部门尚未制定相关标准。关于PM1 的了解还非常有限，PM1 在大气中的停留时间长、输送距离远，对大气环境质量和呼吸系统的影响更大，未来需对此开展进一步深入的健康影响研究。

2 中国成人健康肺部队列研究结果

受原卫生部“卫生行业科研专项”和国家重点专项“重大慢性非传染性疾病防控研究”资助，中日医院牵头建立的中国成人肺部健康队列于2012～2014 年完成5 万人的基线随访，这是我国规模最大的呼吸专项队列研究。研究针对自然人群进行细致的信息收集，阐明了我国自然人群肺功能情况分布，研究结果于2018 年发表在The Lancet 期刊(Chen et al., 2018b)。

研究揭示了我国慢阻肺最新的患病率，20 岁以上人口患病率为8.6%，40 岁以上人口患病率13.8%，慢阻肺人口约为9990 万，同时就慢阻肺相关危险因素进行了较为深入的探讨。除既往公认的长期(20 年以上)吸烟史外，年平均暴露于PM2.5 浓度在50～74 μg/m³ 及75 μg/m³ 以上，也是我国慢阻肺主要的危险因素之一，在非吸烟人群中尤为明显。如表所示，在40 岁以下成年人中也观察到PM2.5 暴露与慢阻肺患病风险增加有关。此外，PM2.5暴露还与其他因素(年龄、吸烟和生物燃料暴露)发生交互作用，增加慢阻肺的患病风险。

表 PM2.5 暴露与年龄、吸烟和生物燃料暴露对慢阻肺的影响

3 京津冀及周边地区PM2.5 对慢阻肺和哮喘患者的急性健康影响

我国京津冀、长三角和珠三角等区域因人口密度大、颗粒物污染水平高，已成为大气污染高风险地区。2008 年以来，环京津冀地区饱受雾霾的影响，污染水平最高，涉及人口最多，产业结构多样，成为该地区大气污染防控的难点和痛点。2013 年，国家多部委联合印发《京津冀及周边地区落实大气污染防治行动计划实施细则》，目标用10 年或更长时间，逐步消除重污染天气。2018 年京津冀及周边地区PM2.5 年均浓度为60 μg/m³，较五年前同比下降超过50%。不过，从PM2.5 年均值这一指标来看，目前我国环境质量标准中对PM2.5年均浓度设定标准仍较低。中国、欧盟、美国(陈魁等，2011)及WHO(陈振民等，2008)推荐的标准值分别是35 μg/m³、25 μg/m³、12 μg/m³ 和10 μg/m³，因此空气质量改善的挑战依然艰巨。

既往研究中大气污染相关数据主要依靠卫星反演(Crouse et al., 2012; Wong et al.,2015)、固定的环境监测点(Ostro et al., 2010)或通过模型(Jerrett et al., 2005)模拟测量等方式获取，这些方法不能真实反映污染物的暴露-反应关系，固定监测点也无法准确描述个体真实的暴露水平，模拟过程也会带来模型本身的不准确性。同时，这些研究往往将一大类疾病作为整体评估，或仅面对住院患者，与结局相关的混杂因素也缺乏很好的控制，并且由于缺少详细的临床信息和个体暴露信息，难以观察大气污染随时间变化对个体或特定人群健康效应产生的综合影响。

研究方法

2017 年10 月，中日医院团队选择在京津冀及周边地区作为研究区域，以慢阻肺和哮喘非住院患者作为主要研究对象，利用前瞻性定组研究设计，对该人群进行为期1 年的追踪随访。每次访视时收集该人群的生活环境情况、临床症状、肺功能、气道炎症水平及血液等生物样品，同步采集主要大气污染物和气象参数，利用个体采样设备对部分研究对象开展精确PM2.5 浓度测量，评估该区域大气污染对慢阻肺和哮喘患者的急性健康影响。

▲ 研究城市分布图(红色点位)

如图所示，本研究在京津冀及周边地区的9 个城市19 家二、三级医院开展，患者入选时间从2017 年10 月到2018 年5 月止，随访时间为1 a。根据空气质量标准设定访视时间窗：当PM2.5＜75 μg/cm³ 时入组患者，获取空气质量相对清洁时的基线情况；当PM2.5＞115 μg/cm³ 时进行三次面对面随访。统计分析时采用随访前0～3 d 的PM2.5 浓度计算(lag03)，反映PM2.5 累积3 d 的滞后效应。

主要研究结论

(1)京津冀及周边地区大气污染形势严峻，PM2.5 污染较为严重，远高于我国PM2.5平均水平、WHO 建议的指导值和发达国家目前的污染水平。

(2)PM2.5 对慢阻肺和哮喘患者肺功能、气道炎症水平均有不同程度的急性效应。

(3)PM2.5 急性暴露可不同程度引起慢阻肺和哮喘患者发生咳痰、喘息、鼻塞、鼻痒、眼睛发红发痒及过敏性症状。

4 展望

(1)建立前瞻性环境与呼吸疾病健康队列研究。目前，探索大气污染暴露与呼吸疾病发生风险关联性的前瞻性队列研究主要集中于污染水平低的欧洲与北美地区，由于大气污染物成分和基因显著不同，其结果不能直接应用于我国。

(2)开展大气污染与呼吸疾病有关的基础研究。通过队列研究的发现，指导基础研究方向，还可将基础研究的初步成果在队列研究中加以验证，相辅相成。同时，继续开展与大气细颗粒物污染健康影响有关的生物标志物研究。

(3)开展定性研究，增加研究维度和视角。现有研究多基于制式问卷或量表，缺乏调查对象的主观感受，通过定性访谈可予以弥补。

(4)深入分析大气污染物具体成分对健康的影响，从源头探寻主要的有害物质。同时通过分析气象主要参数(温度、湿度、气压、风速、边界层厚度等)与呼吸疾病的健康关系，构建气象与健康指标的效应关系，丰富气象医学研究。

我国大气污染治理初见成效，但参照欧美污染治理的经验，这仍是一条长期攻坚之路。因此尚需继续加强基础研究、队列研究和干预研究，强化多学科合作，努力构建基于我国特征的环境健康数据库，形成更为精准的空气质量健康指南。

(撰稿人：杨 汀 王 辰)

本文摘编自《大气细颗粒物的毒理与健康效应》（江桂斌，王春霞，张爱茜主编. 北京：科学出版社，2020.3）一书“前言”，有删减，标题为编者所加。

大气细颗粒物的毒理与健康效应

江桂斌，王春霞，张爱茜主编

北京：科学出版社，2020.3

ISBN 978-7-03-063066-7

责任编辑：朱 丽 郭允允

本书阐述了我国环境污染与健康风险关系研究面临的问题与挑战，国家自然科学基金重大研究计划—“大气细颗粒物的毒理与健康效应”的布局、定位和资助项目情况，同时邀请领域专家对于计划资助项目在大气细颗粒物毒性组分的来源、演化与甄别，大气细颗粒物的暴露组学，大气细颗粒物健康危害的流行病学研究和细颗粒物组分分子毒理与健康危害机制等方面的研究进行了论述。本书可作为环境与健康研究领域科研人员和研究生的科研与学习用书，亦可供相关领域的政府管理与决策者参考。