体育锻炼可以减轻PM2.5成分对肺功能的不良影响：一项交叉研究为炎症机制提供了新的证据

《Environmental Research》：Physical exercise mitigates the adverse effects of PM 2.5 constituents on lung function: New evidence for inflammatory pathways from a crossover study

PM2.5成分与物理运动对肺功能交互作用及炎症介导机制研究。采用交叉设计对74名健康成人进行户外运动和非运动双阶段测试，分析PM2.5化学组分与运动对肺功能（FVC、FEV1/FVC等指标）及炎症标志物的影响，发现交通排放和悬浮尘是主要致病成分，运动显著缓解其负面影响，并通过HSP70介导的TLR4/NF-κB炎症通路起作用。

　　

吴鹏鹏|郭倩|齐玲|赵宇辰|边梦瑶|王晨|韩斌|张俊峰（Jim）|段晓莉

北京科技大学能源与环境工程学院，中国北京100083

摘要

在污染的空气中进行体育锻炼会带来显著的权衡。然而，PM_2.5成分与体育锻炼对肺功能之间的相互作用及其潜在机制仍不甚明了。这项交叉研究共有74名成年人参与，他们随机顺序完成了一次户外体育锻炼和一次不进行体育锻炼的阶段。我们分析了参与者在每个阶段所接触的PM_2.5的化学成分，测量了肺功能，并在每次锻炼前后评估了10个全身炎症的生物标志物。我们使用线性混合效应模型来评估PM_2.5成分和体育锻炼对肺功能及生物标志物的独立和交互作用。我们还进行了调节性中介分析，以探讨炎症因子在PM_2.5成分和体育锻炼对肺功能影响中的作用。研究发现，交通排放物和重新悬浮的灰尘可能是PM_2.5对肺功能产生不利影响的主要因素，而体育锻炼显著减轻了这些不利影响。我们还确定了热休克蛋白70（HSP70）、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子、Toll样受体4蛋白（TLR-4）、Clara细胞蛋白16和白细胞介素-8是这种关联的中介因素。我们的结果支持这样的假设：PM_2.5成分和体育锻炼通过HSP70介导的TLR4/NF-κB炎症途径共同影响肺功能。这些发现有望为未来针对特定PM_2.5成分的控制策略以及公众在空气污染日的锻炼决策提供依据。

引言

在污染的空气中进行体育锻炼需要在提高身体健康和增加呼吸系统健康风险之间找到平衡。空气污染是全球死亡和发病的主要原因之一（Gu等人，2020年；Zhang等人，2022年）。全球分析显示，99%的人口生活在一种或多种空气污染物超过世界卫生组织（WHO）推荐的安全限值的地方（世界卫生组织，2022年）。文献综述证实，空气污染暴露与呼吸系统、心血管系统、神经系统、内分泌系统和生殖系统的临床结果恶化风险增加有关（Gu等人，2020年）。细颗粒物（PM_2.5）是一种化学成分复杂的混合物，其成分因多种排放源而存在巨大差异。PM_2.5的常见成分包括重金属、碳质气溶胶、海盐和无机离子（Liang等人，2025年；Liu等人，2021年）。先前的研究报道，几种PM_2.5成分，特别是金属和碳质成分，与肺功能的不利影响有关（Baccarelli等人，2014年；Varl?等人，2024年；Wu等人，2013年；Xu等人，2021年；W. Zhang等人，2021年）。肺功能通常被用作评估肺部健康的无创指标，并经常用于评估空气污染的健康影响。尽管多项研究表明空气污染暴露对肺功能有负面影响（Guo等人，2023年；Hwang等人，2025年；Xing等人，2016年；Zhou等人，2020年），但体育锻炼已被证明可以改善肺功能（Balbinot等人，2022年；Puente-Maestu和Stringer，2018年；Zhu等人，2022年）。

体育锻炼有助于促进呼吸系统和心血管系统的健康，并降低早死风险（Warburton等人，2010年；世界卫生组织，2018年）。然而，大多数体育锻炼是在户外进行的，而此时高浓度的PM_2.5可能会出现，从而增加了暴露于空气污染的风险（Lü等人，2015年）。在体育锻炼过程中，由于呼吸频率的增加，吸入的PM_2.5剂量也比静息时更大。因此，人们在污染的户外环境中锻炼时存在担忧，因为吸入更多的PM_2.5可能会加剧不良健康影响（Nwokoro等人，2012年）。

关于PM_2.5和体育锻炼对肺功能影响的研究有限，且结果不一致（Wu等人，2024年）。一些研究表明体育锻炼可能会加剧PM_2.5对肺功能的不良影响（Matt等人，2016年；Sinharay等人，2018年）。其他研究则表明PM_2.5和体育活动对肺功能没有交互作用（Giles等人，2018年；Kubesch等人，2015年；Wagner和Brandley，2020年）。这些不一致可能是由于不同研究地点的PM_2.5成分存在差异所致（Wu等人，2013年）。不幸的是，PM_2.5成分和体育锻炼对肺功能的具体化学作用机制仍不清楚，尤其是在亚洲、中东和非洲等高暴露地区。

此外，PM_2.5暴露可能通过炎症反应对肺功能产生不利影响，这可以通过多种炎症生物标志物（如白细胞介素（IL）-6（IL-6）、IL-8、IL-17A、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）、肿瘤坏死因子α（TNF-α）和Clara细胞蛋白16（CC16）的中介作用得到证明（Gupta等人，2024年；Liu等人，2017年；H. Wang等人，2018年；Wang等人，2019年；Wang和Liu，2023年；Wrotek等人，2024年；Wrotek和Jackowska，2022年）。研究表明，体育锻炼还可以调节这些炎症生物标志物的水平（Antunes等人，2019年；Gómez-Rubio和Trapero，2021年；Qin等人，2021b，2021a；Warburton等人，2010年）。然而，关于炎症生物标志物在PM_2.5和体育锻炼对肺功能影响中的中介作用的研究仍然有限。

我们对健康的成年人进行了交叉研究，每位参与者都经历了锻炼和不锻炼的两个阶段。研究目的包括：（1）调查估计吸入剂量的PM_2.5成分和体育锻炼对肺功能的交互作用，包括大气道指标（FVC、FEV₁/FVC）、小气道指标（FEF_50%、FEF_25-75%）以及用力依赖性和通气能力指标（PEF和MVV）；（2）探讨它们对炎症生物标志物的交互作用；（3）研究炎症生物标志物在估计吸入剂量的PM_2.5成分和体育锻炼对肺功能交互作用中的潜在中介作用。

研究设计和实验方案

本研究于2020年10月至2021年6月在中国北京进行。共招募了80名健康成年人，其中74人完成了研究，有6人在实验开始前因时间冲突而退出。纳入标准为非吸烟者、无慢性呼吸系统或心血管疾病诊断，且未服用任何药物或补充剂。排除标准包括过去四周内患有急性呼吸道感染等。

参与者基线特征

74名参与者完成了这项交叉研究，其中包括39名男性和35名女性。表1显示了人口统计特征、基线肺功能和生物标志物水平。中位（IQR）年龄为19.88（0.91）岁。在所有受试者中，35%的人有每天进行中等至高强度体育活动的习惯，每周进行两到三次。基线肺功能指标在男性和女性之间存在显著差异。

讨论

本研究发现，交通排放物和重新悬浮的灰尘可能是PM_2.5对城市人群肺功能产生不利影响的主要来源。我们还观察到，规定的2小时体育锻炼方案改善了肺功能指标，而不进行体育锻炼的阶段中PM_2.5的暴露则恶化了肺功能。总体而言，体育锻炼减轻了PM_2.5成分对肺功能的不良影响。此外，我们的发现为

结论

这是首次旨在探索估计吸入剂量的PM_2.5及其成分与体育锻炼对肺功能交互作用的控制性人体研究。交通排放物和重新悬浮的灰尘可能是导致城市人群肺功能受损的主要因素。规定的2小时户外体育锻炼减轻了PM_2.5成分对健康年轻人的肺功能的不良影响。炎症生物标志物

作者贡献声明

郭倩：撰写——审阅与编辑、方法学、研究设计、概念构建。吴鹏鹏：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、方法学、研究设计、数据分析、概念构建。王晨：撰写——审阅与编辑、方法学。边梦瑶：撰写——审阅与编辑、研究设计。赵宇辰：撰写——审阅与编辑、方法学、研究设计。齐玲：撰写——审阅与编辑、方法学。段晓莉：撰写——

未引用的参考文献

中华人民共和国生态环境部，2013年；Wang等人，2018年；Zhang等人，2021年。

资助

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：42377423、41977374）和国家重点研发计划（资助编号：2022YFC3702604）的支持。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢所有参与研究的参与者，也感谢所有参与现场工作的工作人员。