【简介】
PM，英文全称为Particulate Matter（颗粒物）。而PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物，也称可入肺颗粒物。它的直径还不到人的头发丝的1/20。PM2.5的粒径小，富含大量的有毒、有害物质，且在大气中的停留时间长、输送距离远，被称为大气污染的元凶。被吸入人体后直接进入支气管，干扰肺部的气体交换，引发哮喘、支气管炎和心血管等方面的疾病。本次沙龙由表及里深入探讨PM2.5诱发疾病的分子机制，并探索预防和治疗PM2.5引起的相关疾病的防治策略，以期为人们的健康生活做出贡献。
【主持人致词】
刘渝珍：欢迎大家参加今天的学术沙龙活动！今天沙龙的主题是“PM2.5健康危害与防治”，这是和我们生活密切相关的科学研究。我们邀请了中国科学院大学的陆忠兵教授给我们介绍这方面的研究工作。参加今天沙龙活动的有来物理学院、生物学院、考古系、地质系和化学学院的专家和老同志，以及院老科协的领导，欢迎大家的到来。下面有请张薇给我们介绍陆忠兵老师。
张薇：感谢刘老师的介绍，谢谢各位老师今天莅临此会议，我简要介绍一下陆教授。陆忠兵教授于2012年引进回国加入中国科学院大学，成为我们生命学院的一名教授。陆教授一直致力于氧化应激和心血管相关疾病的机制研究，研究方向包括心肌肥厚、心力衰竭、代谢性疾病的发病机制以及自由基生物学。目前，已经在国内外知名学术杂志上发表SCI论文50余篇，被引用2000余次。接下来就有请陆教授给大家带来今天的报告，PM2.5的健康危害及防治。
【主旨报告】
陆忠兵：PM2.5健康危害与防治
尊敬的各位领导、前辈以及各位同事，早上好！非常感谢中科院老科技工作者协会给我这个机会，和大家分享一些我们课题组做的关于PM2.5的一些工作，主要是围绕心血管方面进行介绍。
随着我国经济的高速发展，环境污染也随之出现。为了追求人与自然和谐，经济和社会的和谐，习总书记提出了“绿水青山就是金山银山”生态文明建设方针。因此，2020年相较于2010年空气质量显著改善，但是PM2.5浓度仍然偏高。此外，相对于水污染、职业暴露、土壤污染和化学品污染等，空气污染是我们最容易忽略而又危害最为严重的污染。据统计分析表明，2019年PM2.5暴露导致我国142万人死亡。由此可见，空气污染或者说PM2.5的危害是很大的。那它为什么会有这么大的危害呢？我从以下几个方面进行介绍。
图1（a）2010~2020年我国空气质量变化；
（b）大气污染的危害高于水污染和其他污染。
PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米（μm）的颗粒物，也称可入肺颗粒物，它的直径不足人的头发丝的1/20。图2（a）就是通过扫描电镜观察到的PM2.5的形态，呈不规则状态。用动态光散射测定颗粒物直径，可以看到粒径基本上分布在100~1000个纳米之间， 由此可见，PM2.5的颗粒实际上是很小的。研究发现，颗粒物的粒径差异导致它在器官中的分布也不尽相同。图2（b）所示，粒径大于10微米（μm）的颗粒物沉降速度较快，在进入呼吸道的过程中直接被鼻毛截留而黏附于鼻前庭。粒径小于10微米（μm）可进入呼吸道，故又称为可吸入颗粒物（IP），其中粒径在5~10微米（μm）之间的主要停留在上呼吸道（鼻、咽、喉），它们通过咽喉部的运动很容易随痰液排出体外，因此对人体的影响有限。粒径小于5微米（μm）的颗粒物可以进入呼吸道的深部，其中粒径在2.5微米（μm）以下的颗粒物（PM2.5）可进入到肺的细支气管、肺泡囊和肺泡；粒径0.01~0.1微米（μm）的尘粒（PM0.1），50%以上将沉积在肺泡腔中。由于肺泡可直接进行气体交换，肺泡壁上有丰富的毛细血管和吞噬细胞，所以粒径在2.5微米（μm）以下的颗粒物所携带的物质很容易被吸收到血液内而构成全身危害，甚至通过血-脑屏障，危及神经系统。
图2（a）PM2.5的形态； （b）PM2.5在器官中的分布。
空气质量是依据空气中污染物浓度的高低来判断的。空气质量是一个动态变化的过程，每时每刻都在发生改变，PM2.5含量是衡量空气质量的重要指标。那么在空气质量比较好的时候，PM2.5的组成是什么呢？空气轻度污染或重度污染PM2.5的组分又是什么呢？图3（a）所示，我们可以看到随着PM2.5浓度的增加，颗粒物携带的金属离子，特别是锌、铁、铝含量显著升高。同样，SO42-、NO3-和NH4+的比例随着PM2.5浓度增加而逐步升高。
那PM2.5是从哪里来的呢？PM2.5既来源于自然，也来源于人为。自然来源包括：风扬尘土、火山灰、森林火灾、花粉、真菌孢子、细菌。但PM2.5的主要来源还是人为排放。人类既直接排放PM2.5，也排放某些气体污染物，在空气中转变成PM2.5。图3（b）所示，现阶段北京的PM2.5，大家认为主要是移动源产生的。所谓移动源就是说道路上移动的，主要包括我们开的汽车，还有一些非道路的机械、航空和火车等，其中最主要的来源就是汽油车和柴油车。因此，现在环境治理的一个重要方向就是减少汽油和柴油车的使用，这可能是降低北京空气PM2.5的一个重要途径。
图3（a）空气质量和PM2.5的组成； （b）北京空气中PM2.5的主要来源。
总体来看PM2.5危害健康的原因，主要是吸附了很多金属离子，这些金属离子进入人体之后，它可以通过一些化学反应，比如“芬顿”反应等，引起一系列的自由基反应，进而损伤脏器。因此，PM2.5为什么有毒，实际上和它附着的成分有着密切关系。一般认为PM2.5进入到肺的细支气管、肺泡囊和肺泡，对其他脏器的影响较小。然而，实际情况确并非如此。研究发现PM2.5不仅可以进入肺脏，还可以通过血液循环进入心脏，甚至可以透过血脑屏障进入脑中。由此可见，PM2.5为对人体的危害还是非常严重的，最主要的有些危害还没被发现。
根据流行病学调查发现，如图4（a）所示，我们国家前20位死亡因素中，大气污染造成的死亡影响已经排到第四位。随着PM2.5浓度的增加，哮喘、呼吸道感染和心脏缺血再灌注等疾病的死亡率显著升高。现在普遍认为长期暴露的人群当中，PM2.5的浓度每增加10个微克每立方米，那么人群总体的死亡率就会升高10%。此外，据统计有心血管疾病的前提下，死亡率会增升到3%~76%不等。同样，如图4（b）所示，大队列数据分析发现PM2.5长期暴露与总心血管疾病的发生呈现上升趋势，且不存在明显阈值。总之，PM2.5可以影响机体的很多方面，但是对心血管的影响最为深远。
图4（a）PM2.5的健康危害； （b）PM2.5促进心血管疾病。
我们近几年也做了一些关于PM2.5的研究，研究方向主要集中在心血管方面。我们主要关心几个方面的问题。第一，PM2.5的暴露时间和剂量效应。首先，我们通过对实验小鼠进行PM2.5暴露，结果显示，日常大气PM2.5暴露能造成小鼠肺脏损伤，浓度越高，损伤越严重，并伴随着肺脏炎症和氧化应激程度加剧。大气PM2.5浓度在~50 ug/m3以下时，暴露时间对损伤影响较小，这可能和机体的适应性反应有关。而PM2.5在较高浓度时，随着暴露的时间延长，对心血管的影响也明显增强。第二，PM2.5增加心血管风险的内在因素。PM2.5对人的影响是不一样的，一般来讲，身体比较健康的人群受PM2.5的影响较小。但是，如果有心血管疾病，这类人群对PM2.5比较敏感，那么这个里面有什么机制呢？来自200余篇的临床调查研究显示，心血管、COPD、哮喘等心肺疾病患者血浆中二甲基精氨酸（ADMA）浓度显著升高，且与生存率等因素相关。ADMA浓度升高不仅减少内皮NO的含量，还可以引起氧化应激。我们发现PM2.5会上调二甲基精氨酸（ADMA）含量，两者相互协作加剧PM2.5引起的心脏组织的氧化应激和纤维化，导致心血管疾病患者死亡率增加。第三，PM2.5暴露对能量代谢的影响。单磷酸腺苷活化蛋白激酶(AMPK)能够感受细胞能量代谢变化，调节细胞的葡萄糖、脂肪酸的代谢过程，在心血管系统中具有重要作用。缺少AMPKα2促进了大气PM2.5暴露引起的心功能失常、肺损伤和心肺的氧化应激。第四，心肌肥厚小鼠模型的PM2.5暴露。PM2.5暴露增加了TAC小鼠的肺脏炎症和纤维化，此外，还导致TAC小鼠的肺/体比增加及右心室肥厚。
最后，从生物学的角度去防治PM2.5。首先，我们采用临床药物二甲双胍（Metformin）处理PM2.5诱导暴露的小鼠，发现缓解PM2.5诱导的系统炎症,肺泡结构破坏，肺部纤维化和炎性细胞浸润。此外，还发现二甲双胍缓解PM2.5诱导的心功能下降及心肌纤维化。最主要的是发现二甲双胍以不依赖AMPKα2的方式缓解PM2.5诱导的心肺损伤。其次，ADMA是心血管疾病的风险因子，二甲基精氨酸水解酶（DDAH1）是降解ADMA的重要调节酶。因此，我们通过转基因的方式获得过表达DDAH1的转基因小鼠。结果发现，DDAH1的转基因小鼠或者以滴注腺病毒方式过表达DDAH1，均可以缓解慢性PM2.5暴露诱导的肺脏损伤和氧化应激。最后，我们还采用干细胞治疗的方式研究PM2.5暴露诱导心肺损伤。我们通过提取脂肪细胞的间充质干细胞（ADSCs），体外可以诱导分化为脂肪细胞、成骨细胞和软骨细胞。通过尾静脉注射ADSCs方式注射到小鼠体内，发现ADSCs减少了PM2.5暴露小鼠的血清炎症因子，提高了PM2.5暴露小鼠的心功能，减少了心肌纤维化和心肌细胞凋亡。通过上述实验，我们得到了一下几个结论：第一，二甲双胍对PM2.5暴露引起的肺损伤和心功能下降有非常明显的保护作用（图5a）。第二，过表达或提高肺脏DDAH1活力可能是一种潜在改善大气污染相关疾病的策略。第三，脂肪来源的间充质干细胞对PM2.5诱导的心肺损伤具有良好的保护作用（图5b）。
图5（a）二甲双胍保护PM2.5暴露引起的肺损伤和心功能下降；
（b）脂肪来源的间充质干细胞显著缓解PM2.5诱导的心肺损伤。
【讨论】
林秋雁：您的研究主要集中在PM2.5对心脏还有肺脏的影响，那有没有研究过PM2.5对皮肤的影响？我还有刘渝珍老师夏天长了好多湿疹，不知道是否有受到PM2.5的影响？
陆忠兵：我们研究的主要内容时心肺，皮肤方面的研究暂时没有涉猎。其实，面对雾霾等环境污染，人们往往首先关注雾霾对于呼吸道的损伤。但事实上，雾霾等环境污染因素，对皮肤的损伤也不可忽视。PM2.5附着物对皮炎、湿疹和银屑病等疾病的影响还是很常见的。主要原因是空气中的PM2.5有很强的吸附性，会吸附各种花粉，细菌，重金属等有害物质，当这些物质粘在皮肤上时，会对皮肤造成刺激，不断阻碍着皮肤的正常呼吸与排毒，容易造成皮炎湿疹，荨麻疹等皮肤疾病。
张正东：刚才陆老师讲的二甲双胍，对抑制PM2.5所引起的危害有很大作用。糖尿病患者常年吃二甲双胍，那么他们的肺部纤维化和心脏疾病会不会很轻，有没有做过这方面的统计？
陆忠兵：总体来看，二甲双胍在治疗糖尿病方面有着很显著的疗效，大大减少了心血管疾病引起的死亡，这方面有很强的证据。我们也在实验中验证了二甲双胍在缓解心肺纤维化的工作，效果也很明显。但是，二甲双胍在缓解糖尿病心肺纤维化方面的统计工作目前还不清楚。这里面涉及到并发症等原因，所以很难去通过单一因素去进行统计分析。
王昌燧：我有个问题，就说北京过去就是说污染比较严重，最近几年比较好，但是对一些个老年人就会有这么一个错觉，说我去空气好的地方去养老肯定寿命会很长。但是，最近发布的国家的有关空气污染和寿命的关系，结论并不是这样，北京现在的话平均寿命年龄全国排名第二位，从76涨到80了。西藏现在空气很好，他排在倒数第二，这也就是说大家别认为空气好的地儿一定长寿，是吧？
陆忠兵：北京居民的寿命是比较长的，就是这个寿命长短受到多方面因素的影响。首先，它当地的基础医疗条件有关，如果空气质量好，那对我们就更好啦。其次，当然就像我刚才说的，适当的有一点坏，它实际上能够激活机体的自身免疫反应，能耐受一些其他的一些疾病，就像我们常说的不干不净吃人没病。相反，如果长期生活在非常洁净的环境，实际上是很容易得病的，主要原因就是适应性和抵抗力差。
赵震声：刚才讲到的雾霾里有一氧化氮，一氧化氮很容易就氧化成二氧化氮，对吧？所以我觉的空气中的NO或者NO2对心血管有没有扩张作用？对身体又会产生什么样的危害呢？
陆忠兵：研究一氧化氮在血管中的生理学作用的三位科学家已经在1998年获得诺贝尔生理医学奖。其中穆拉德先生也来过北京几次，我的导师赵保路老师跟他也有过多次接触。他们做了报告，一氧化氮它现在从哪来的，特别在血管里，由内皮细胞的酶产生，这个都是很清楚的。它扩张血管的作用是一氧化氮从内壁细胞产生之后，进入平滑肌细胞里。因为一氧化氮是一个小分子，很容易通过扩散的方式，从一个细胞扩散到周边的细胞里。然后去激活鸟苷酸环化酶，生成环磷酸鸟苷并激活下游反应，最终起到扩张平滑肌，舒缓平滑肌的作用。一氧化氮有的扩张血管降血压，这就是心脏病人急性心梗的时候要来点硝酸甘油，它实际上就是舒张冠状动脉，它心脏的供血恢复，这样它能将心梗的症状缓解。但是易氧化氮它是一个双刃剑，它的多了也不好，特别是有一些炎症的时候。本来作用是积极应对外来的感染，但是一氧化氮过多就产生大量的超氧阴离子，对自身机体也是一种损伤。
赵震声：今天听了陆老师的报告是PM2.5健康危害与防治，所以反正这个题目实际上是近十几年来是很热门的一个题目。各方面的专家都非常关注，陆老师今天讲那么深入浅出，我们大家对我个人来说实际上是很受益的，学习到一些新的知识。陆老师你做的这些工作，我不知道有没有跟医院直接在一起做一些工作或者做一些临床工作？
陆忠兵：现在主要还是在实验室以动物为模型，探索它的危害机制和治疗方法。
刘铨良：：我就想能不能在PM2.5污染非常重的地方，设一个吸氧站，就像登山的时候心里不舒服了，去花几块钱吸吸氧。或者是身体没事儿，空闲的时候也去吸吸氧，这样的话恐怕还是受欢迎的，你说这种可能吗？是否有助于身体健康呢？
陆忠兵：这个在实际情况中并不完全对症，如果缺氧，稍微吸点氧，对老年人或者缺氧的人来说有一定的好处。但是，年纪大的时候很多器官的功能已经在衰退了。细胞里面有很多线粒体或者酶，它们的功能有一定程度的下降，对氧的利用率下降了，吸氧过程中吸入量很难根据机体自身去控制。因为线粒体耗氧率下降了，如果氧气摄入过多，它还反而能产生更多的自由基。机体自由基会水平会急剧增加，这可能会对细胞结构造成严重损害，继而损伤器官。
钟良玮：我现在有一个问题，刚才你说的高剂量的 PM2.5肯定是有害的，那么低剂量是不是在某些程度上激活人的抵抗能力或者免疫力？为什么这么说？因为你看你要从北京到三亚空气好，基本上呼吸道疾病很少。那么在这方面是不是也可以研究一下就定剂量的PM2.5，对机体的哪些方面产生了影响，提高了抗病能力，就是不知道这方面有没有研究风险。我们一直说PM2.5是能够引起损伤反应，在损伤的同时它是不是也能够引起抗损伤反应。
张正东：PM2.5颗粒物进入体内以后，它主要损伤心血管系统，具体讲就是心脏和肺部，那么颗粒物暴露以后，它和心血管系统相关的器官，他们的损伤是一种物理作用，还是一种化学作用？
陆忠兵：首先，它主要是一个化学或者生化方面的影响，涉及到的物理作用还是比较少一点。原因主要是PM2.5颗粒物携带的金属离子，现在认为它是造成器官损伤的一个重要的原因。这方面有实验证明在暴露pm的同时，再拿金属离子的螯合剂去处理它，能够非常明显的减轻PM2.5引起的损伤，所以这就说明金属离子起了很重要的作用。但是，PM2.5的颗粒本身对细胞或者脏器也是有损伤作用的，比如使用一些细颗粒物模拟PM2.5，比如说黑炭或者是二氧化硅，他们也能引起细胞的炎症反应和氧化应激。
刘渝珍：我今天听了陆老师的报告，对涉及的几个问题都非常感兴趣。首先是PM2.5对人体的危害，让我们这些老年人对它的认识更加清楚。其次，就是二甲双胍改善糖尿病和心血管疾病，不知道长期服用会有什么影响？我看到你们在自由基和氧化应激领域还做了一些脂肪肝的研究，现在上了年纪去体检，总会有脂肪肝或者血脂稠等原因，我们该如何改善呢？
陆忠兵：目前来讲二甲双胍还没有明显的副作用，就研究来讲在抗氧化、抗衰老或者治疗糖尿病方面效果还是不错的。一般情况下肾脏没有问题的话，服用二甲双胍问题不大。至于脂肪肝它分为两类，一类是肥胖引起的脂肪肝，一类是瘦型脂肪肝。前者比较好理解，平常高脂类食物、碳水化合物摄入过多或者病毒性肝炎导致的脂质积累等，都会造成脂肪肝。另一类，这一般是不合理的节食或者营养不均衡导致的脂代谢紊乱，最终表现为肝脏脂质积累。肝脏的脂质沉积越来越多，沉积到一定程度，肝脏就由非酒精脂肪肝变成肝炎，再发展到后面就是肝硬化和肝癌，当然这个步骤跨很长的，一般人都不用太担心。但是如果肝炎或者其他肝脏疾病，还是需要定期检查。所以，平常还是要饮食合理搭配，适当的运动才能保证身体健康。
刘渝珍：今天的学术沙龙到这里就结束啦，谢谢大家！
