臭氧在变应性鼻炎发病中的作用

Abstract

变应性鼻炎(AR)是由环境因素和遗传因素及多种炎性因子共同参与的鼻部变态反应性疾病。其中，臭氧作为大气污染参与AR发病的病理过程及作用机制尚不十分清楚。本文就臭氧对AR流行病学的影响、病理学影响及其可能的作用机制进行综述，为AR的防治提供新的思路。

变应性鼻炎(allergic rhinitis，AR)是由环境因素和遗传因素及多种炎性因子共同参与的鼻部变态反应性疾病。AR发病机制尚未完全揭示，多种免疫活性细胞、细胞因子、炎症介质、P物质及基因等共同参与AR的发病过程。随着大气污染的加重，AR的发病率随之上升。导致AR发病的相关基因与环境因素的相互作用是目前研究的热点和方向^[1-3]。随着PM2.5的治理，臭氧为特征的光化学污染日益突出。越来越多的实验证据表明，臭氧对呼吸系统功能造成不利影响，可以诱导加重AR的发病，但其作用机制尚未完全明了。本研究旨在探索臭氧诱导AR的发病机制，为AR防治提供理论依据。

1. 臭氧对AR流行病学影响

近年来有关臭氧对AR的影响日趋引起了关注，短期臭氧吸入性暴露会导致AR的急性发作，一般门诊量被认为是流行病学中计算急性发作的一个重要指标。有研究表明大气中臭氧浓度每增加10 μg/m³，AR门诊量可增加0.97%^[4]。对我国粤港澳大湾区的AR患者的门诊量与大气污染物的相关性分析发现，与老年人相比，年轻人吸入暴露臭氧后更容易增加AR发病的风险^[5]。臭氧暴露会导致原有AR临床症状加重。在花草粉季节，随着臭氧浓度的增加，AR症状较难控制天数延长了25%^[6]。低于既定的空气标准的臭氧浓度同样可以给AR患者带来负面影响。西班牙马德里的一项研究中，研究者记录季节性AR的症状评分，0~3分分别代表无、轻度、中度和重度症状，并检测患者生活环境中花粉颗粒数、温度及臭氧等相关变量，计算评分和变量之间的相关性，结果显示在空气中花粉颗粒数降低的情况下，由于臭氧浓度的升高，季节性AR患者的症状评分从1996年的1.45分上升到了2009年的2.33分^[7]。

AR在我国儿童中的发病率较高，我国的一项流行病学调查显示，儿童AR的发病率为9.8%^[8]。大气污染中臭氧浓度水平升高与AR发作风险的增加显著相关，在一项纳入中国东北8个地区的59 754名儿童的研究中，通过问卷调查收集儿童的AR病史，排除混杂因素的影响后发现由于长期臭氧暴露造成的儿童AR的患病风险OR值为1.13(95%CI 1.07~1.18)。不同年龄段的儿童对臭氧的易感性有所不同，7~17岁组AR患儿对臭氧的敏感性高于2~6岁年龄组儿童，临床上表现为AR的症状较后者更为严重^[9]，这可能与7~17岁儿童户外活动的增加，有更多机会暴露于大气污染具有一定的关系。臭氧对患有AR的儿童的影响具有滞后性。有研究显示，平均臭氧浓度增加10~90个百分点，3 d后AR患者的门诊率增高37.6%^[10]。如果父母在儿童期有较多的臭氧吸入暴露史，其子代也具有较高的AR发病的风险。父辈在儿童时期有中等浓度臭氧的暴露与子代AR的发生风险存在显著相关性^[11]。综上所述，暴露于大气中的臭氧与AR的发病风险高度相关，并且人群对臭氧的易感性存在年龄和性别差异。臭氧暴露对AR的发生和发展具有显著的影响，因此减轻臭氧污染和保护易感人群在AR的防治中具有重要的意义。

2. 臭氧与黏膜损伤和AR的炎症反应

鼻腔作为呼吸道的门户，臭氧的吸入可以破坏鼻黏膜上皮细胞之间的紧密连接蛋白，导致黏膜屏障受损，从而使得更多的过敏原进入上皮下激活树突状细胞等抗原提呈细胞，加重过敏性炎症反应。臭氧吸入可以引起AR、哮喘大鼠模型杯状细胞增生、促进Muc5AC等黏液蛋白的分泌^[12-13]，导致气道清洁能力下降，过敏原黏附时间增加，继而加重变应性疾病症状的恶化。

呼吸道上皮细胞在接触过敏原后促进肥大细胞、嗜酸粒细胞、T细胞等炎症细胞向黏膜上皮下聚集，激活炎症细胞产生炎症因子，增加气道炎症^[14]。研究发现臭氧吸入暴露能使AR大鼠鼻黏膜中炎症因子明显增加，且有显著性量效关系，当AR大鼠暴露于低、中、高(0.5、1.0、2.0 ppm)3种不同浓度的臭氧水平下，鼻腔灌洗液中炎症因子IL-6、IL-8、TNF-α的表达随臭氧浓度增高而增高^[15]。炎症因子的增加进一步促进气道黏膜的损伤，损伤的黏膜反过来促进炎症因子的表达，造成炎症的恶性循环。为了探索炎症反应的作用靶点，我们对炎症通路进行检测，发现臭氧可以激活NF-κB通路，促进NF-κB p65入核，增加促炎因子的转录^[15]。这为臭氧能够诱发AR的发病和加重AR的症状提供了初步的实验依据。

3. 臭氧与氧化应激及其在AR中的作用

正常机体能够通过抗氧化系统维持活化氧自由基(reactive oxygen species, ROS)处于低水平。当ROS产生过量或者抗氧化反应受损时导致氧化还原反应失衡，从而诱发氧化应激反应的发生，造成组织的氧化损伤。氧化应激与AR的发生密切相关，臭氧引起AR氧化应激的研究目前较少，但是同属空气污染物的PM2.5与AR氧化应激相关性研究已广泛被人证实。我们既往的研究发现PM2.5暴露可以诱导AR氧化应激的产生，表现为AR大鼠模型超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性的减弱和丙二醛的升高。利用抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸对体内氧化应激进行干预，可以缓解PM2.5吸入暴露后AR的临床症状，减少鼻黏膜的损伤^[16]。臭氧作为一种强氧化性物质能够在与细胞膜和上皮衬液中的蛋白质、脂质发生反应中进一步促进体内氧化应激的失平衡。将高、中、低不同浓度的臭氧对AR各实验组进行吸入性暴露，每天2 h，共连续暴露42 d后检测鼻黏膜组织中SOD和谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-Px，GPX)活性，发现低、中浓度臭氧吸入暴露的AR模型组中SOD和GPX活性显著增高，而高浓度臭氧吸入暴露的AR模型组中SOD、GPX活性降低，抗氧化应激转录因子核因子NF-E2相关因子(Nrf2)的表达与中低浓度臭氧吸入暴露组相比显著减少，表明高浓度臭氧能够破坏AR的氧化还原平衡，加重氧化应激反应及AR的症状^[17]。臭氧诱导的氧化应激是影响AR发病的重要机制，抑制氧化应激反应对减轻臭氧诱导的AR具有积极意义，这为AR的病因学研究提供新的方向。

4. 臭氧与免疫应答反应及其在AR中的作用

我们已关注到臭氧的吸入暴露可能通过免疫应答反应诱导或加重AR的发病。通过对AR大鼠模型进行长期臭氧吸入性暴露，与AR组比较，臭氧吸入暴露的AR组大鼠血清中IgE分泌增加，鼻灌洗液中的IL-4、IL-5、IL-13表达上调，并且降低了Th1相关炎性因子IFN-γ的水平，加重了AR病理学变化及AR的症状^[18]。臭氧通过多种方式增强机体对过敏原的免疫应答。臭氧可以修饰过敏原及改变过敏原的致敏性加重AR的症状。Zhao等^[19]对暴露于臭氧后的豚草花粉进行测序发现臭氧改变了豚草花粉中过敏原的转录水平，这种改变可能对豚草花粉的致敏性产生一定的影响。臭氧还能够促进葎草花粉过敏原中两个相邻半胱氨酸分子的巯基之间形成了新的二硫键，既稳定了过敏原的结构，延长花粉在空气中的停留时间，又增加了过敏原的致敏性^[20]。而在致敏阶段，臭氧同时可以作为佐剂，增加变应原的免疫原性。研究表明臭氧依赖TLR4发挥佐剂的作用从而增强机体对过敏原的免疫应答^[21]。这提示无论是过敏原分子结构的改变，还是机体致敏激发的过程，臭氧可以通过体内、体外两方面改变机体对过敏原的适应性免疫应答。

5. 臭氧与易感基因多态性及其在AR中的作用

臭氧吸入性暴露可能影响易感基因的多态性导致过敏性反应。有研究发现了在臭氧暴露后MUC5AC缺乏的小鼠其鼻黏膜组织损伤加重，肺组织炎症增加^[22]。表面活性剂蛋白A(surfactant protein A, SP-A)是大型的胶原亲水蛋白，可以作为调理素促进异物清除，在固有免疫调节中具有重要作用。表面蛋白SP-A在保护气道免受臭氧损害中同样重要，其基因多态性影响个体对臭氧的抵御和免疫应答^[23]。人类蛋白SP-A由基因SP-A1和SP-A2共同编码，其基因间具有多个单核苷酸多态性。SP-A2第233位点谷氨酰胺向赖氨酸的突变可以显著减弱SP-A对机体的保护作用，增加机体对臭氧的易感性，从而造成蛋白泄露增加、气道炎症加剧^[24]。此外，免疫应答和炎症相关的基因多态性在臭氧对呼吸系统不良结果中具有调节作用。TLR4的基因多态性与臭氧暴露引起的肺组织高渗透性显著相关^[25]，表明先天免疫应答的差异可能影响个体对臭氧的敏感性。

鉴于氧化应激在臭氧反应中的主导作用，胞内抗氧化基因的多态性在过敏性疾病患者对臭氧的敏感性中至关重要。其中，谷胱甘肽-S-转移酶亚型M1和P1是调节臭氧暴露关键的抗氧化酶。基因多态性影响臭氧吸入性暴露对气道的起始和后续效应。健康人群和哮喘患者抗氧化基因的多态性与臭氧易感性间的相关性已有研究，但是AR易感基因与臭氧间的关系研究尚少，今后仍需扩大人群样本或寻找新的基因多态性位点进行研究。

6. 臭氧与表观遗传及其在AR中的作用

表观遗传学的基因调控机制不同程度的影响AR的发病。这些表观遗传包括染色质重塑、DNA和组蛋白、非编码RNA等生物学改变。通过对国人AR患者鼻黏膜组织和非AR患者鼻黏膜组织进行全基因组微阵列分析发现，AR鼻黏膜有多个差异表达的微小非编码RNA(miRNA)，该研究表明AR鼻黏膜中miRNA的表达发生改变，并且可能参与AR的发生发展^[26]。已有研究表明，臭氧暴露会造成miRNA、长链非编码RNA^[27]、DNA甲基化表达谱^[28]的改变。将健康成年人志愿者暴露于0.4 ppm臭氧中2 h，收集暴露前后受试者的痰液，检测miRNA表达谱，发现臭氧能够显著改变痰液中miRNA的表达水平，差异表达的miRNA与炎症和免疫反应信号传导有关^[29]。目前尚无臭氧暴露对AR表观遗传的报道，深入研究臭氧对AR基因表观遗传学的影响，这对了解臭氧在AR发病机制中的作用具有重要意义。

7. 小结

流行病学研究发现吸入性暴露显著增加了AR的发病，并引起AR症状的加重。然而臭氧是如何影响AR的发病，其机制尚不清楚。目前已关注到臭氧引起AR的发病可能与气道黏膜损伤、炎症反应、氧化应激、免疫应答、基因多态性和表观遗传有关。但尚有待于进一步深入研究，为AR的防治开启新的视角。

Funding Statement

国家自然科学基金项目(No：81974140)