《Biology》：Ozone as a Catalyst for Alzheimer’s Disease and Sleep Disorders: Implications for Neurodegeneration Induced by Air Pollution
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对流层臭氧（O3）作为一种高反应性空气污染物，已成为阿尔茨海默病（AD）及其相关睡眠障碍的潜在环境危险因素，然而对其潜在机制的综合梳理仍较为有限。本叙述性综述整合了关于臭氧暴露、神经退行性变及睡眠紊乱的实验与流行病学证据，并围绕一个核心工作假说展开：臭氧产生一
对流层臭氧（O3）作为一种高反应性空气污染物，已成为阿尔茨海默病（AD）及其相关睡眠障碍的潜在环境危险因素，然而对其潜在机制的综合梳理仍较为有限。本叙述性综述整合了关于臭氧暴露、神经退行性变及睡眠紊乱的实验与流行病学证据，并围绕一个核心工作假说展开：臭氧产生一种全身性氧化-炎症信号，该信号可到达中枢神经系统，而睡眠/昼夜节律紊乱与AD相关病理作为下游结局，二者可能相互强化。在实验模型中，臭氧暴露与氧化应激、线粒体功能障碍、血脑屏障破坏、胶质细胞活化及神经炎症相关，并与β-淀粉样蛋白积聚和tau蛋白过度磷酸化重叠，同时伴随快速眼动（REM）睡眠减少及神经递质改变；时钟基因的变化主要在外周组织中得以证实。昼夜节律紊乱被视为候选效应因子，现有数据尚无法区分中介效应与伴随发生。在流行病学层面，与其他污染物如PM2.5或NO2相比，臭氧与认知衰退的特定关联在人群水平上仍不一致，尽管部分队列研究报告了污染物特异性效应及载脂蛋白E ε4（APOE4）基因型的调节作用。多数实验研究所用浓度远高于监管环境标准。总体而言，环境臭氧是AD及睡眠障碍的一个生物学上合理但尚未经流行病学确证的危险因素。未来研究应优先开展暴露梯度纵向研究，并阐明剂量-反应关系，包括可控医用臭氧的效应。
1. 引言
阿尔茨海默病（AD）是一种进行性神经退行性疾病，以认知衰退及标志性神经病理学特征为表现，包括β-淀粉样蛋白（Aβ）斑块积聚、过度磷酸化tau蛋白神经原纤维缠结、氧化应激、神经炎症及突触功能障碍。除认知恶化外，睡眠障碍是AD最常见且影响最大的非认知表现之一，涵盖失眠、睡眠碎片化、慢波睡眠减少及快速眼动（REM）睡眠和昼夜节律的改变。这些紊乱不仅损害生活质量，还可能通过促进氧化损伤、神经炎症及Aβ清除障碍而加速神经退行性过程。睡眠与昼夜节律调节与脑稳态密切相关，涉及复杂的神经结构网络。视前区和基底前脑主要调节非快速眼动（NREM）睡眠，而REM睡眠依赖于脑桥被盖核、背外侧被盖核、中缝背核及蓝斑核的协调活动。该系统的核心是视交叉上核（SCN），即大脑的主昼夜节律起搏器，其将睡眠-觉醒周期与神经元完整性和记忆巩固所必需的代谢及分子过程同步化。近期研究提出，环境因素尤其是对流层臭氧（O3）等大气污染物，可能对睡眠质量及AD等神经退行性疾病的发展产生不利影响。实验研究表明，对流层臭氧可诱发氧化应激、神经胶质炎症、线粒体功能障碍、突触改变及血脑屏障（BBB）损伤，这些过程均与AD病理生理学及睡眠碎片化相关。气候变化通过促进有利于臭氧升高的空气条件，可能进一步加剧该暴露。世界卫生组织估计，2030至2050年间，气候变化相关疾病每年可能导致多达25万人死亡，影响认知健康与安稳睡眠。尽管某些荟萃分析未能确立臭氧暴露与痴呆风险之间的统计学显著相关性，这与PM2.5或NO2等其他污染物不同，但这些发现凸显了对臭氧中枢神经系统（CNS）特异性影响开展更有针对性研究的必要性。有研究提出了三方关系：臭氧作为环境暴露因素，AD作为神经退行性疾病，睡眠障碍作为临床与生理连接。三个组成部分汇聚于由炎症、突触功能障碍及昼夜节律紊乱所定义的共同轴线上，强调臭氧作为预防和治疗性努力的关键要素。需区分环境对流层臭氧暴露（本综述焦点）与医用臭氧治疗性应用，后者通过特定途径以受控剂量给药，具有潜在的适应性和抗氧化启动特性，两者属于不同的暴露范式。
2. 臭氧诱导的阿尔茨海默病与睡眠紊乱机制
臭氧是一种高反应性氧化性气体，虽不易穿透BBB，但可引发对CNS具有显著影响的全身性炎症反应。长期暴露于吸入性污染物（包括车辆排放物）与BBB通透性增加相关，其机制涉及基质金属蛋白酶活化及紧密连接蛋白缺失。BBB破坏可能促进炎症介质和外周免疫细胞进入，营造有利于AD发生与进展的神经炎症微环境。臭氧还被报道可致下丘脑神经内分泌轴失调。在一般睡眠文献中，昼夜节律及睡眠紊乱与Aβ和tau积聚相关。颗粒物共污染物还可通过嗅觉通路或穿越呼吸、胃肠上皮屏障到达CNS；这与共暴露相关，而臭氧本身作为气体，预计不遵循该途径。
2.1. 活性氧与生物能量学
臭氧暴露还与神经元生物能量学受损相关。其与呼吸系统的相互作用产生包括过氧化氢、羟基自由基和超氧阴离子在内的活性氧（ROS），这些物质可能经血流进入CNS并触发线粒体功能障碍。电子传递链复合物I和III的损伤已在臭氧暴露后的肺和肝中被报道，并被认为同样发生于脑。脑因其富含多不饱和脂肪酸且抗氧化能力相对有限，对ROS产生增加和脂质过氧化尤为脆弱；臭氧暴露已被报道可降低过氧化氢酶活性和核因子E2相关因子2（Nrf2）介导的抗氧化反应。这些改变被认为可促进神经退行性变和突触丢失。臭氧还被报道可促进Aβ1-40肽向不溶性形式的结构转化。线粒体三磷酸腺苷（ATP）减少和ROS持续升高被认为可损害海马和大脑皮层等功能区域，而这些区域对记忆和睡眠调节至关重要。臭氧诱导的氧化损伤和线粒体功能障碍损害突触可塑性并减少神经发生，影响对记忆和睡眠至关重要的海马及胆碱能回路。动物模型中慢性臭氧暴露导致认知缺陷、社交互动减少和不动性增加，提示树突棘丢失及与AD相关的脑网络破坏等结构改变。老年人急性臭氧暴露与神经丝轻链（NfL）和脑源性神经营养因子（BDNF）水平升高相关，可能反映亚临床神经元损伤或代偿性神经可塑性反应。
2.2. 全身及中枢炎症、神经内分泌与肠-脑机制
在实验模型中，臭氧刺激胶质细胞活化，小胶质细胞和星形胶质细胞增加，通过白细胞介素（IL）-1β、-17和-6等细胞因子启动慢性炎症级联反应，同时IL-10减少。神经炎症被认为可促进Aβ积聚和tau磷酸化，并干扰NREM睡眠的调控过程；反之，睡眠缺失和睡眠限制在啮齿动物中增加炎症反应并伴随Aβ积聚，提示可能存在自我强化循环。在严重污染地区居民中，无症状年轻人已出现环氧合酶-2（COX-2）过表达和淀粉样蛋白-β42（Aβ42）积聚；因这些人群暴露于复杂污染物混合物，臭氧的特定贡献无法分离。臭氧暴露激活下丘脑-垂体-肾上腺轴和交感-肾上腺-髓质轴，导致糖皮质激素和儿茶酚胺释放，从而改变神经内分泌和免疫环境；在大鼠中该效应需要肾上腺来源的应激激素。高迁移率族蛋白B1（HMGB1）被提出作为介导小胶质细胞受体（如髓系细胞触发受体2，TREM2）参与的介质。TREM2功能受损与免疫反应性降低和Aβ病理加重相关。巨噬细胞-1抗原/烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶2（MAC1/NOX2）和细胞外信号调节激酶1和2（ERK1/2）通路在其他模型中维持慢性小胶质细胞炎症，被认为是臭氧相关神经炎症的可能机制，但臭氧模型中的直接证据有限。此外，脂质过氧化副产物包括丙二醛（MDA）和4-羟基壬烯醛（HNE），被认为可进入脑并进一步加剧神经炎症。臭氧还与肠道菌群改变相关，通过肠-脑轴导致菌群失调并诱导全身和脑部炎症。菌群失调还与γ-氨基丁酸（GABA）和血清素（5-HT）等神经递质改变相关，这些递质对睡眠和认知功能调节至关重要，且在AD中均显著紊乱。
2.3. 神经递质系统与睡眠结构
上述炎症和神经内分泌改变被认为可影响调控睡眠的神经化学系统。睡眠碎片化和昼夜节律紊乱在AD中常见并与Aβ病理相关。在啮齿动物中，臭氧暴露与血清素及其代谢物的区域特异性改变相关，脑桥血清素含量增加，内侧视前区乙酰胆碱水平降低，伴随反常（REM）睡眠减少。臭氧还被报道可增加血浆犬尿氨酸/色氨酸（KYN/TRP）比值，并改变海马血清素受体和神经营养因子表达，其中涉及糖皮质激素介导机制。独立于臭氧，碎片化睡眠降低类淋巴功能，可损害Aβ和tau的清除并加剧神经炎症。污染物暴露被提出可损害类淋巴功能，但尚无研究直接验证臭氧的这一效应。因此，臭氧相关炎症改变睡眠、而改变的睡眠又放大神经炎症和淀粉样病理的双向关系在生物学上合理，但现有数据尚不能证明该循环对臭氧成立。
2.4. 昼夜节律紊乱作为候选效应因子
臭氧扰乱昼夜节律机制的证据主要来自外周组织。在小鼠肺中，臭氧改变时钟基因Bmal1、Per1-3、Cry2、Fbxl3、Npas2、Nr1d1、Btrc和Prkaa1的表达，Notch通路（Notch3/4）被提出为上游调节因子；急性和重复臭氧暴露对小鼠时钟基因表达产生差异性影响。对CNS而言，证据是间接的。臭氧已被报道可通过肾上腺来源的应激激素使下丘脑神经内分泌轴失调，并改变啮齿动物睡眠-觉醒结构。然而，睡眠结构改变不等同于昼夜节律紊乱，所引研究中未发现臭氧暴露后SCN时钟基因表达、SCN活性或昼夜节律输出（如运动活动、体温或褪黑素节律）的直接测量。确立昼夜节律紊乱作为臭氧-AD关系的中介，需首先证明时间上的先后性，即节律或时钟紊乱先于AD相关改变（如Aβ积聚、p-tau和类淋巴清除受损）出现，并伴随中介和结局的梯度暴露-反应关系，以及纵向队列中严格控制共污染物和暴露-中介混杂的正式因果中介分析。最后，实验操作须确认在相同臭氧暴露下，通过光夹带、褪黑素替代或时钟基因操作预防昼夜节律紊乱可减轻下游病理，而仅诱导紊乱而不加臭氧可重现该病理。目前尚无研究对臭氧采用这些严格设计，现有数据无法区分真正中介与伴随发生，且该关系可能为双向性，因为AD病理本身即可破坏睡眠和昼夜节律。因此，昼夜节律紊乱仍是若干候选效应因子之一，与直接氧化损伤、神经炎症和神经递质改变并列。
2.5. 实验与人群证据
实验和人群研究报告了空气污染物暴露（包括对流层臭氧）与睡眠紊乱及AD相关早期神经病理学改变之间强度不一的关联。在严重污染的大都市人群中，长期暴露于含臭氧和超细颗粒物的复杂污染物混合物的儿童和青少年表现出睡眠-觉醒周期紊乱及参与REM睡眠的脑干核团损伤，这些改变影响睡眠结构，并与AD早期神经病理学生物标志物（包括Aβ和过度磷酸化tau沉积）的出现相关。在暴露于高空气污染水平的年轻人中，失眠、不宁腿综合征和REM睡眠行为障碍等睡眠障碍高发，伴随神经退行性疾病相关初始神经病理学指标。中国一项涉及395,651名老年人的人群研究发现，短期暴露于臭氧和二氧化硫与睡眠障碍就诊次数增加相关，其中臭氧关联在滞后5天时最强。在全球生态层面，自1990年代以来对流层臭氧平均每十年增加1.8 ppb，同期GBD 2021估计AD和痴呆的年龄标准化患病率和发病率上升；这些平行趋势属生态学观察，受众多混杂因素影响，不能确立因果关系。动物模型研究结果与臭氧对睡眠的影响一致。暴露于0.35-1.50 ppm臭氧的大鼠中，REM睡眠在早期（2小时）减少，慢波睡眠在后期（12小时）以剂量依赖性方式增加，伴随脑桥血清素增加，被认为反映前列腺素等促炎化合物介导的脑桥功能障碍。人群研究关于空气污染物（包括臭氧）与认知及睡眠相关结局的关联在不同污染物、队列和结局间存在异质性。独立于臭氧，NREM睡眠中慢波活动减少（如阻塞性睡眠呼吸暂停伴间歇性缺氧）与较高的Aβ42和总tau相关，包括无既往认知损害者。总体而言，实验和人群证据提示对流层臭氧作为环境调节因子对睡眠质量产生负面影响，进而可能促成AD特征性神经病理学改变，但这些关联尚未在人类中针对臭氧得到证实。
2.6. 剂量、暴露量级与毒物兴奋效应
解读该文献的关键变量是实验模型所用臭氧浓度相对于真实世界环境暴露的量级。所引啮齿动物吸入研究使用约0.25-1.5 ppm的浓度，约为美国环保署（EPA）设定的监管环境标准（8小时平均0.070 ppm）的3.6至21倍。实验暴露通常为急性或亚慢性，不能复制人群的慢性低剂量暴露。在生理现实范围内剂量-反应的直接实验证据稀缺。从高剂量实验发现外推至慢性低水平环境暴露应谨慎。本文区分三个概念：臭氧毒性的剂量依赖性；毒物兴奋效应，即低暴露诱发适应性反应（如Nrf2激活）而高暴露导致损伤的双相剂量-反应；以及治疗性医用臭氧，其并非低剂量吸入，临床应用依赖自体血液离体臭氧化后回输，属于受控的短暂氧化性微应激，实验方案采用胃肠外给药。这些是不同的暴露范式，具有不同途径、组织剂量和反应底物，不能视为单一现象。低环境臭氧暴露是惰性、适应性还是有害的尚未检验，保护性低剂量效应是假说而非结论。所引唯一低水平环境暴露研究（老年人）报告臭氧与更快的认知衰退相关，这反对假设环境暴露是良性的。人类低剂量吸入臭氧与神经结局的直接数据缺乏，区分环境臭氧的致病效应与可控医用臭氧的效应需要剂量梯度研究。
3. 讨论
本综述综合的实验和观察证据与以下假说相容：对流层臭氧暴露通过全身氧化-炎症通路促成AD相关神经退行性变和睡眠紊乱。在实验模型中，臭氧暴露与氧化应激、线粒体功能障碍、胶质细胞活化和细胞因子产生、BBB改变及血清素能和胆碱能系统变化相关，并在啮齿动物中影响睡眠结构。这些实验发现主要来自暴露于高于监管环境标准浓度的啮齿动物，部分研究中臭氧与其他暴露联合。所提出通路的若干环节尚未确立。时钟基因改变主要在外周组织中被证实；臭氧对SCN或昼夜节律输出的直接证据有限，数据无法区分昼夜节律紊乱作为中介与伴随发生。睡眠和神经退行性变可能相互影响，单向模型可能过于简化。流行病学研究在不同队列间报告了臭氧水平升高与睡眠障碍患病率增加或认知衰退之间的关联，但并非一致，尤其在老年人等脆弱人群中。一个老年人队列中，臭氧而非PM2.5与更快的认知衰退相关，且APOE4携带者中关联更强，提示可能的污染物特异性和基因-环境交互。同时，臭氧与痴呆的荟萃分析证据与PM2.5或NO2相比不一致。这一机制合理性与流行病学信号不一致之间的差距可能反映多种非互斥因素：暴露错误分类、共污染物混杂、潜伏期窗口差异、结局异质性，以及低浓度环境臭氧效应弱于高剂量实验推断的可能性。本综述存在若干局限性，包括暴露评估异质性、共污染物混杂、人类研究依赖生态或观察数据，多数实验证据来自暴露于约0.25-1.5 ppm的啮齿动物模型，远高于监管环境标准。文献很少按性别分层分析。作为叙述性综述，本文未包含正式质量评估，也未遵循预定义的可记录检索方案。未来研究应优先开展个体化暴露监测的纵向研究、客观睡眠和昼夜节律测量及生物标志物分析，采用暴露梯度设计以检验剂量-反应关系和时间序列，包括正式中介分析。接近环境暴露浓度的实验研究及暴露后SCN功能和昼夜节律输出的直接测量至关重要。改善空气质量和睡眠健康的干预本身即是合理的公共卫生目标，但其是否能通过臭氧通路降低AD风险仍有待确立。
4. 结论
在实验模型中，臭氧暴露与氧化应激、神经炎症、线粒体功能障碍、神经递质改变和睡眠改变相关，并与AD病理相关改变相关。本文提出一个工作假说：这些效应源于到达中枢神经系统的全身氧化-炎症信号，睡眠/昼夜节律紊乱和AD相关病理作为可能相互强化的下游结局。昼夜节律紊乱是候选效应因子而非已确立的中介，现有数据无法区分中介与伴随发生。鉴于实验模型所用臭氧浓度与真实世界环境暴露之间的显著差距，以及臭氧相对于PM2.5和NO2等其他污染物的不一致流行病学信号，环境臭氧目前应被视为AD相关神经退行性变和睡眠紊乱的一个生物学上合理但尚未经流行病学确证的危险因素。暴露梯度纵向研究及正式中介分析是将减少臭氧暴露和保障睡眠纳入旨在保护认知功能的空气质量政策和临床筛查之前的关键下一步。
