综述：颗粒物诱导的上呼吸道疾病及其机制信号通路的系统综述

《Current Treatment Options in Allergy》：Systematic Review of Particulate Matter-Induced Upper Respiratory Disease with Mechanistic Signaling Pathway

　　

综述目的：颗粒物（PM）暴露与鼻窦疾病（包括过敏性鼻炎（AR）和慢性鼻窦炎（CRS））的关联日益增加，然而将PM与上皮功能障碍联系起来的机制通路仍未完全明确。本综述整合了临床前实验证据，以阐明PM诱导的鼻上皮损伤的生物学机制，并提出一个PM驱动的鼻窦病理学整合模型。近期发现：研究人员检索了PubMed和Embase从建库至2025年3月的体外和体内研究，这些研究探讨了PM对鼻组织的影响；38项研究符合预先设定的纳入标准，并进行了定性综合。在各模型中，PM暴露持续增加活性氧（ROS）并压倒Nrf2介导的抗氧化防御，导致线粒体功能障碍和自噬相关的细胞死亡。下游ROS激活NF-κB/MAPK信号通路，促进促炎细胞因子释放（包括IL-6、IL-8和TNF-α）。在AR/CRS相关环境中，PM放大了Th2偏向的炎症，促进嗜酸性粒细胞募集，并破坏上皮紧密连接蛋白，损害屏障完整性。PM还通过纤毛损伤和IL-13相关的黏液分泌过多降低黏液纤毛清除功能。总结：总体而言，当前的实验证据支持一个由ROS启动、Nrf2调节的级联反应作为PM相关鼻窦毒性的核心机制，将污染物暴露与炎症、屏障破坏以及与AR和CRS相关的黏液纤毛功能受损联系起来。未来工作的关键优先事项包括：识别最有害的PM成分，阐明持续性的调节效应（包括表观遗传机制），以及测试靶向抗氧化或细胞保护性干预措施，以减轻污染相关的上气道疾病。证据等级：1级（系统综述）。

**引言**

**背景**
流行病学研究将空气污染与心血管疾病、肾脏疾病、下呼吸道疾病及上呼吸道疾病联系起来。在受管制的污染物中，颗粒物（PM）对健康的影响最大。肺毒性已有充分文献记载，但过敏性鼻炎（AR）和慢性鼻窦炎（CRS）等鼻窦疾病日益归因于PM暴露。本综述整合了临床前证据，以阐明PM如何驱动这些疾病。

**颗粒物分类与来源**
PM由异质性的固体和液体气溶胶颗粒组成。根据空气动力学直径（预测颗粒物穿透呼吸道的深度）分为四类：粗颗粒物（PM<10 μm，即PM10）、细颗粒物（PM<2.5 μm，即PM2.5）、超细颗粒物（PM<0.01 μm，即PM0.1）和纳米颗粒物。PM10在鼻腔被过滤，而更细的颗粒物可深入支气管。最小的超细颗粒物尤其令人担忧，因为它们能穿透细胞膜并进入循环系统。大气PM来源于人为和自然源。主要人为源包括燃烧过程（如车辆尾气和工业过程），自然源包括风吹沙漠尘埃和海盐喷雾。不同来源贡献的颗粒物大小和成分各异，进而对健康产生不同的影响。

**颗粒物组成与毒性**
PM的组成包括矿物质、溶解金属、多环芳烃（PAHs）和内毒素。金属存在于化石燃料、燃烧过程和生物质燃烧中。有机化合物源于不完全燃烧。混合成分的毒性不同于单一成分。Jia等人强调，在比较毒性时，PM2.5的组成似乎比浓度更重要。确定哪种特定成分最危险仍是一个挑战。

**颗粒物在下呼吸道组织中的机制**
ROS生成已引起关注，被认为是下呼吸道致病级联反应的主要启动因子。在肺组织中，由氧化还原失衡产生的ROS压倒细胞的抗氧化防御，激活应激反应性Nrf2通路，并诱导炎症。持续的PM暴露导致致病级联反应，在组织层面造成损伤。

**PM与上呼吸道疾病**
尽管对上呼吸道疾病影响的研究有所增加，但理解仍然是零散的，主要来自多项研究的零碎发现。这凸显了需要一篇综述来汇总结果并综合出一个假设机制。本系统综述整合了临床前体外和体内研究，以描绘PM2.5成分与毒性机制之间的联系。这些见解为指导未来关于急性和慢性不良效应的研究奠定了基础。

**方法**
研究人员对两个生物医学数据库MEDLINE（PubMed界面）和Embase（Elsevier）进行了全面检索。预先设定的方法计划见补充材料S1。图1展示了筛选过程；共38项研究符合所有标准。关键研究特征总结于表1。纳入标准按PECOS条目构建：人群为仅来源于鼻窦腔或实验室动物解剖同源区域的细胞或组织的临床前模型；暴露涉及递送至鼻腔的环境PM（PM2.5或PM10）；比较器为颗粒物对照；结局为与鼻黏膜损伤或防御相关的任何定量终点，分为四个领域：氧化应激、炎症信号、屏障完整性和黏液纤毛功能。研究选择流程和数据提取：纳入原始、同行评议的实验报告，采用受控的体外、体内或离体设计；排除会议摘要、综述、评论和人类临床研究。所有1217条记录导入Covidence，自动去重后，通过反向引文检索发现1条额外记录。筛选由一名评审员进行，另一名验证所有排除。提取的数据包括PM来源和剂量、暴露方案、模型类型、样本量/重复、随机化、盲法和四个机制领域的结果。偏倚风险评估：一名评审员独立使用NTP OHAT体外偏倚风险工具（7个领域）和SYRCLE动物体内偏倚风险工具（9个领域）评估每项研究。总体研究级别判断由Excel公式自动分配。综合方法：采用结构化主题综合，将每个显著发现（P<0.05）映射到四个预先设定的机制领域之一，并按健康状况（健康、AR、CRS）和实验背景（体外、体内）制表，再按时间顺序排列以展示所提出的机制。

**结果：来自38项研究的发现**
体外研究的偏倚风险评估显示，5%的研究为高关注，16%为部分关注，79%为低关注。动物研究结果相似，4%为高，22%为部分，74%为低。

**PM诱导的氧化应激**
多种体外和体内实验揭示了一个统一主题：PM诱导的氧化应激。当存在AR或CRS等基础疾病时，PM2.5放大了基线应激和细胞损伤。ROS似乎是发病的核心起始因素。

**炎症反应的平行激活**
大量体外和体内研究表明，通常会触发急性的一般促炎过程，常与ROS同时发生。慢性PM2.5暴露可能使鼻窦免疫向2型辅助T细胞（Th2）谱系倾斜，同时抑制1型辅助T细胞（Th1）。用NAC抑制氧化应激可减弱这些炎症变化，表明ROS发挥作用。PM加重了已有的AR和CRS疾病，进一步使免疫向Th2倾斜。

**上皮和细胞间连接破坏**
多项体外和体内研究表明，PM2.5通过下调紧密连接（TJ）蛋白和黏附连接（AJ）蛋白、降低跨上皮电阻（TEER）以及增加细胞旁通透性来损害上皮完整性。这些屏障破坏也与氧化应激相关；抗氧化剂NAC和Nrf2激活剂SFN可恢复TJ蛋白水平并改善渗漏。在AR和CRS中，连接已受损，PM2.5暴露进一步削弱屏障，促进过敏原渗透并加剧炎症反应。

**黏液纤毛功能障碍**
多项证据表明，PM2.5暴露损害黏液纤毛功能，导致纤毛紊乱、摆动频率降低和纤毛丢失。同时，PM2.5通过涉及EGFR、PI3K和Th2细胞因子（IL-13）的通路刺激杯状细胞增生，导致过量黏液产生。在AR和CRS中，这些效应均被放大。

**讨论：联系发现并提出机制**
以下讨论所有健康、AR和CRS组织研究的发现，试图联系这些发现以进一步理解发病机制。偶尔引用非上呼吸道组织的研究以连接机制空白。体外研究提供了急性细胞内毒性效应的见解，体内研究则桥接了细胞内和细胞间动态，揭示了慢性变化如何由存活的细胞驱动。该假设基于当前可用的研究；需要广泛的研究来验证所提出的分子机制。

**初始PM2.5接触、氧化还原化学及Nrf2的作用**
PM2.5含有氧化还原循环化学物质，暴露时诱导氧化应激。这些ROS在严重情况下也可诱导细胞死亡。一旦检测到ROS，细胞会上调抗氧化机制以求生存。从结果来看，Nrf2通路是最关键的。Nrf2是面对氧化应激时上调抗氧化防御基因（如NQO1、HMOX-1、SODs、FTH1和FTL）的主要转录因子，在PM实验中常“最初”上调。正常情况下，KEAP-1通过靶向Nrf2进行泛素介导的降解来抑制其活性，维持低基线水平。当氧化攻击发生时，经典通路激活Nrf2：Keap1的关键半胱氨酸残基发生化学修饰，导致“死Keap1复合物”形成，无法再泛素化Nrf2。我们相信，金属成分可能启动ROS-Nrf2级联反应。PM2.5中的过渡金属可催化Fenton反应，生成羟基自由基。活性中间体可磺酰化、S-亚硝基化或烷基化Keap1中的关键半胱氨酸巯基，从而激活Nrf2。关键“传感器”半胱氨酸包括C151、C273和C288。虽然没有研究单独分离PM金属对HNECs的影响，但其他组织研究表明它们能激活Nrf2解毒酶。PAHs也可能在激活Nrf2中发挥作用。其他组织的研究证实，有机成分有助于氧化损伤。富含PAH的颗粒物可激活小鼠心肌细胞和肺上皮细胞中的Nrf2。PAHs生成二次有机气溶胶（SOAs），形成的醌类中间体可进行氧化还原循环并产生更多ROS。这些亲电子环氧化物可能修饰Keap1上的半胱氨酸残基，类似于金属。PAHs还可作为芳烃受体（AhR）的配体，诱导细胞色素P450（CYP）代谢酶。在纳入的实验模型中，PM暴露产生了三种反复出现的细胞响应模式，很大程度上呈剂量和时间依赖性。首先，在相对较低或早期暴露下，上皮细胞常启动适应性抗氧化反应——上调Nrf2，表明试图恢复氧化还原稳态。其次，在足够高浓度下，氧化负荷超过细胞缓冲能力，常与明显的细胞毒性相关。最后，一些研究表明，长期低水平暴露可将响应从瞬时适应转变为适应不良调节，包括Nrf2抗氧化程序组分的表观遗传沉默，这可能会随时间推移削弱保护性信号。我们相信，这些看似不同的结果可以通过考虑Nrf2的三种机制上不同的模式来调和：经典通路、自噬通路和非经典通路。经典通路代表针对突发急性应激的初始防御系统。在初始PM2.5接触下，HNECs上调Nrf2以求在恶劣条件下生存。如前所述，ROS介导Keap1半胱氨酸的直接修饰。Nrf2进入细胞核并诱导保护基因转录，暂时控制氧化损伤。如果暴露持续或PM浓度极高，自噬通路开始主导。局部抗氧化能力被压倒，净氧化环境出现，常导致细胞死亡。当海马神经元细胞暴露于胰岛素缺失时，AMPK磷酸化p62；磷酸化的p62转位至线粒体，触发自噬性细胞死亡。该通路代表高浓度下观察到的急性细胞毒性。如果自噬受损，p62无法正常降解而积累，有利于非经典通路。在非小细胞肺癌（NSCLC）中，代谢应激增加p62的表达和磷酸化。磷酸化的p62随后促进Keap1的自噬降解，释放Nrf2以驱动抗氧化程序，并帮助在溶酶体膜上组装AXIN–STK11–AMPK复合物，从而激活AMPK并促进肿瘤在恶劣条件下的存活。这导致Nrf2组成性激活，常在癌细胞中观察到。尽管最初是保护性的，但组成性Nrf2激活也被证明在癌症发病中起作用。然而，在PM研究中，存活细胞却出现异常调节变化，如该重要通路的失活，这与癌症研究相反。在慢性PM暴露结果中观察到Nrf2通路的超甲基化。我们提出两种可能机制导致PM研究中观察到的超甲基化。在HNECs和肺组织中，慢性PM2.5暴露通过启动子超甲基化下调Nrf2通路。慢性PM2.5本身可能引起该通路的广泛超甲基化，类似于COPD中的香烟烟雾。支持该假设，Wu等人显示PM2.5使野生型小鼠的CpG2位点去甲基化并增强CYP2E1表达，但在Nrf2敲除小鼠中导致CpG2超甲基化和CYP2E1下调。因此，PM2.5通常通过Nrf2驱动的CpG2去甲基化升高CYP2E1；缺少Nrf2时，污染物反而强制执行启动子超甲基化和沉默，表明PM本身是甲基化触发因素。另一种可能机制是细胞的负反馈。长期毒素暴露有时需要持续的Nrf2活性才能使细胞存活并获得肿瘤样表型。为防止Nrf2失控，细胞可能启动表观遗传机制以降低其活性。例如，慢性Nrf2/p62信号可激活DNMT1和DNMT3a等酶，可能作为负反馈导致Nrf2启动子超甲基化。尽管超甲基化的确切原因尚不清楚，慢性PM暴露广泛抑制Nrf2是一个常被忽视的效应。观察到的另一个效应是线粒体变化。PM结合的金属已知可进入线粒体并破坏膜电位。AhR和Nrf2之间也可能存在串扰。例如，NQO1和其他外源物代谢酶（XRE）的表达依赖于AhR和Nrf2。因此，线粒体功能障碍可能通过Nrf2促进。当暴露于应激时，线粒体通过诱导融合或分裂来响应。融合由Mfn1/2和Opa1蛋白介导，分裂主要由GTPase Drp1驱动。当线粒体失去膜电位时，PINK1在其外膜积累并招募E3连接酶Parkin，标记该细胞器进行清除。在果蝇中敲低Parkin或Pink1会破坏蛋白质稳态并加剧氧化应激，而Nrf2过表达可恢复两者。因此，PM2.5驱动的线粒体分裂可能源于Nrf2依赖的PINK1转录减弱。

**炎症反应的平行激活**
接下来探讨这些上皮细胞内效应如何塑造与免疫细胞的细胞间相互作用，以及为何某些炎症标志物升高。支持ROS假说，来自肺研究的证据表明，PM触发炎症细胞中氧化介导的变化。此外，Shin等人显示，鼻上皮细胞释放外泌体，分化并激活M1巨噬细胞。作为响应，巨噬细胞上调“清道夫受体”，介导吞噬作用。一旦吞噬发生，NADPH氧化酶被激活。氧副产物增加细胞内钙浓度，激活丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）并释放炎症细胞因子。巨噬细胞通过诱导p38磷酸化NF-κB来响应增加的ROS。一旦激活，NF-κB转位并诱导IL-6、IL-8和TNF-α的转录。该通路可解释初始标志物IL-6、IL-8和TNF-α的增加。NF-κB调节巨噬细胞中的急性促炎反应。目前尚不清楚PM的哪种成分与巨噬细胞受体相互作用。一旦翻译，促炎细胞因子由巨噬细胞释放。IL-8是一种已知的中性粒细胞趋化因子，TNF-α招募额外白细胞并激活上皮。IL-6似乎发挥更大作用。在AR组织中，IL-6被证明控制Th17/Treg平衡。在CARAS小鼠模型中，PM2.5升高IL-6和IL-17，同时降低IL-10；用bergapten阻断STAT3可逆转这些变化，表明IL-6通过STAT3驱动Th17扩增。IL-10的下降表明同时抑制Treg。一旦IL-17释放，被认为作用于成纤维细胞。成纤维细胞实验可能桥接急性IL-17激增与慢性Th2偏向。在一项实验中，与未暴露细胞相比，PM暴露激活了健康鼻黏膜成纤维细胞中的IL-17信号分子。在另一项实验中，暴露于PM的鼻息肉成纤维细胞（NPDF）相对于未暴露息肉显著增加了IL-33、IL-5和IL-4，表明当PM激活成纤维细胞时，出现Th2模式。两项研究均发现IL-17信号增加以及AP1和NF-κB通路上调。我们假设慢性PM通过IL-17诱导成纤维细胞释放IL-33。这也与CRSwNP中常见的Th2模式一致，表明富含成纤维细胞的息肉正在驱动这种炎症模式。如果我们的假设成立，TSLP和IL-33的增加将急性氧化性上皮损伤与慢性Th2反应联系起来。TSLP和IL-33均已知驱动Th2分化。PM可能通过IL-33与ST2受体结合触发Th2激活。PM处理的成纤维细胞被证明可驱动CD4⁺ T细胞产生IL-13（Th2标志物），而ST2（IL-33R）抑制可逆转该效应。一旦激活，Th2细胞释放eotaxin-1（CCL11）、TARC、IL-13、IL-4和IL-5。这解释了为什么这些标志物在我们的结果中普遍升高。成纤维细胞释放IL-33也解释了为什么慢性PM2.5暴露小鼠出现嗜酸性炎症。回到我们的Nrf2假说，一项研究表明，暴露于卵清蛋白的Nrf2敲除小鼠表现出过度的嗜酸性炎症和IL-33急剧升高。这些结果强调了氧化应激在慢性嗜酸性炎症中的作用。虽然PM激活Th2细胞，但它被证明抑制Th1细胞。在一项AR小鼠研究中，PM2.5激活CD4⁺ T细胞中的ERK–DNMT通路，超甲基化IFN-γ并抑制Th1。抑制ERK或DNMT可恢复Th1/Th2平衡和IFN-γ，表明该通路是PM产生Th2偏向效应的核心。

**上皮和细胞间连接破坏**
功能性鼻和鼻窦上皮依赖于稳固的细胞间连接。紧密连接（TJs）和黏附连接（AJs）维持屏障完整性。TJs（occludin、claudins、ZO-1/ZO-2）密封上皮细胞顶端边缘，而AJs（E-cadherin）位于TJs下方，稳定细胞-细胞粘附。多项体外和体内研究表明，PM2.5通过下调连接蛋白来损害上皮完整性。这些屏障破坏也与氧化应激相关，抗氧化剂NAC和Nrf2激活剂SFN可恢复TJ蛋白水平并改善渗漏。在AR和CRS中，连接已受损，PM2.5暴露进一步削弱屏障，促进过敏原渗透并加剧炎症反应。一种解释是IL-6介导蛋白连接降解。如前所述，ROS通过IL-6诱导Th17释放IL-17。PM暴露后，鼻成纤维细胞与IL-17信号通路平行上调基质金属蛋白酶（MMPs），已知MMPs可降解连接蛋白。这可以解释为什么NAC（抗氧化剂）能拯救TJ蛋白。该假设表明ROS是上游介质。支持该假设，Kim等人发现鼻病毒通过ROS及增加p38和蛋白激酶B（Akt）的磷酸化来破坏HNECs中的TJs，这解释了为什么NAC、Nrf2激活剂和Akt抑制剂在我们的结果中恢复了连接蛋白。另一种解释是IL-8发挥作用。Lin等人报道，凝血酶在肺上皮细胞中启动Akt依赖的mTOR–p70S6K通路以促进NF-κB激活和IL-8释放。另一项研究表明，IL-8可下调TJ组分ZO-1、claudin-5、occludin和E-cadherin。该假设表明Akt位于上皮破坏级联反应的上游，也与我们的研究中NAC和Akt抑制剂逆转连接蛋白损伤的发现一致。

**黏液纤毛功能障碍**
黏液纤毛清除是鼻窦上皮的主要防御机制。多项研究表明，PM2.5暴露损害黏液纤毛功能。同时，PM2.5通过涉及EGFR、PI3K和Th2细胞因子（IL-13）的通路刺激杯状细胞增生，导致过量黏液产生。在AR和CRS中，这些效应均被放大。我们相信Th2炎症可能驱动黏液产生增加。视黄酸（RA）在CRS模型中显示可减弱PM2.5引起的Th2炎症，并可能通过IL-13调节人角膜上皮细胞中的MUC5AC表达。我们相信Th2炎症通过鼻窦组织中的IL-13升高MUC5AC。在气道哮喘中，IL-13增加杯状细胞中CLCA3的水平，表明IL-13可能诱导杯状细胞增生。该效应可能与EGFR激活及下游PI3K–AKT/ERK信号相关。这解释了为什么EGFR和PI3K抑制剂阻止PM诱导的MUC5AC增加。我们提出观察到的纤毛变化是线粒体依赖性的，由于ATP耗竭。过量ROS损害电子传递链，降低ATP输出。纤毛摆动是ATP依赖性的；随着线粒体功能障碍加剧，ATP可用性骤降，纤毛失去协调运动并最终结构退化。此外，PM伴随的酸化可降低抗菌功能并阻碍纤毛运动。

**局限性**
本综述存在局限性。首先，初步筛选和数据提取由一名评审员进行，增加了选择偏倚的风险，尽管另一名高级评审员验证了所有排除。其次，大多数纳入研究是实验性的，PM来源和剂量方案各异，限制了跨研究可比性。第三，我们不得不查阅涉及其他组织的研究以更好地理解某些结果，这增加了不确定性。最后，我们的假设基于当前可用的研究；需要广泛研究来验证所提出的分子机制。

**结论**
总之，本综述提供了从急性细胞内变化到慢性宏观组织病理学变化的分子机制的全面见解。现有证据清楚地表明，PM不仅引起有充分文献记载的下呼吸道损伤，而且对鼻窦上皮产生显著的致病效应。我们提出，该机制涉及ROS的产生，如果不受Nrf2依赖的抗氧化通路控制，会启动线粒体功能障碍、免疫反应失衡，最终导致屏障和黏液纤毛功能障碍的级联反应。通过阐明污染物如何在分子水平上驱动鼻窦炎症，现在可以更好地指导临床管理，并最终减轻污染相关鼻科疾病的负担。