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前面的話：
我們已經知道細顆粒物（PM2.5）與人體健康密切相關。今年復旦大學的一項研究發現，PM2.5可以進入大腦，而這可能會導致認知障礙和痴呆。在這篇文章中，復旦大學研究的作者之一趙金鐲介紹了他們最新的發現，並綜述分析了PM2.5可能對健康產生哪些影響。
撰文 | 趙金鐲（復旦大學公共衛生學院副教授）
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大氣汙染物特別是其中的顆粒物（particulate matter，PM）是全球關注的環境問題。世界衛生組織（WHO）和全球疾病負擔的相關研究指出，PM2.5是人類健康的重要危險因素，特別是與心、肺健康密切相關，國內外的多項流行病學研究也報道了顆粒物汙染與腦血管系統疾病發病的關係，短期和長期顆粒物暴露均能增加缺血性腦卒中的發病風險和死亡率，甚至可能與認知障礙及阿爾茲海默症有關（Calderon-Garciduenas et al., 2018; Peters et al., 2019）。
大氣PM2.5進入大腦的證據
PM2.5是指空氣動力學直徑小於2.5μm的大氣顆粒物，其粒徑大約介於紅細胞和細菌之間，而人頭髮的直徑大約是100μm。作為城市大氣汙染的首要汙染物，其表面積大、粒徑小，易於吸附更多的有害物質，也更易於進入呼吸道而沉積在肺部導致健康危害。
PM2.5進入呼吸道時，雖然會在鼻腔和口腔粘膜被纖毛、粘液等阻留，但部分PM2.5或其中的細小顆粒如PM0.1可能會透過呼吸道到達肺部，然後進入血液迴圈，到達其他組織和器官。2004年，Oberdorster等研究者提出顆粒物中的細小顆粒物可進入大腦的觀點（Oberdorster et al., 2004）。2016年，Maher等在墨西哥的研究發現人體大腦中有含鐵顆粒的存在，雖然該研究樣本量較小而且以腦中的磁鐵礦形態作為觀察物，但該研究為顆粒物進入大腦提供了有力的證據（Maher et al., 2016）。
2020年，Richard Neil Zare 和趙金鐲以小鼠為研究物件開展了為期6個月的大氣PM2.5吸入暴露實驗，兩組小鼠分別暴露於Dirty air（Concentrated PM2.5 air）和Filtered air（過濾了PM2.5的空氣），採用飛秒脈衝鐳射照射顯微鏡發現大氣PM2.5可進入大腦，而場發射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）的結果也顯示大腦中顆粒物的存在（Saira Hameed, 2020），特別是在Dirty air和Filtered air組有明顯差異，
這一研究為大氣顆粒物進入大腦提供了重要證據：PM2.5能透過鼻腔而經嗅球進入大腦（圖1）。而早前的鼻吸入Fe2O3奈米顆粒損傷嗅球軸突鞘的研究（Sutunkova et al., 2016），也證實了上述結論——顆粒物能透過嗅球入腦。
圖1 顆粒物透過鼻腔粘膜內的嗅球進入大腦的示意圖。圖源：Saira Hameed et al.,, Talanta Open，2020
PM2.5與腦血管疾病的關係
2017年，《柳葉刀》痴呆預防、干預和護理委員會將大氣汙染列為痴呆潛在危險因素（Livingston et al., 2017），2018年，《柳葉刀》汙染委員會也提出，大氣顆粒物與老年人痴呆的起因明顯相關（Landrigan et al., 2018）。
目前，大氣PM2.5汙染已被認為與腦卒中、認知能力、退行性疾病及一些心理和精神疾病有關。大氣PM2.5暴露濃度的升高與腦卒中的發生、發展密切相關，並表現為更高的患隱蔽性腦梗塞的風險（Wilker et al., 2015）。
2016年發表在環境健康展望（Environmental Health Perspectives，EHP）上的研究顯示，長期暴露於PM2.5可增加人類患痴呆症、阿爾茲海默症、帕金森病的風險（Kioumourtzoglou et al., 2016）。
兒童和青少年時期是神經發育和認知水平發展的關鍵時期，早期PM2.5暴露可能對其日後的認知能力產生深遠的影響，Jordi Sunyer在巴塞羅那對交通汙染與兒童認知進行了研究，發現就讀於交通汙染水平較高的學校的兒童認知水平的提高程度較小（Sunyer et al., 2015）。
近年來，也有研究者開始關注PM2.5與心理和精神疾病的關係，一些研究認為PM2.5的暴露可能是自閉症（Volk et al., 2013）、抑鬱症（Kim et al., 2016; Zhang et al., 2018）和精神分裂症的危險因素。
PM2.5如何導致腦血管疾病
人群流行病學研究發現大氣PM2.5與腦血管疾病有明顯關聯，但PM2.5如何導致腦損傷，目前有兩方面的觀點。
1. PM2.5透過呼吸道進入機體，引發心、肺損傷進而釋放炎症介質、氧化應激產物而間接導致腦損傷；2. PM2.5透過鼻吸入而經嗅球直接進入大腦而導致腦損傷，而不是我們以為的透過血液迴圈進入大腦。如前所述，PM2.5直接進入大腦已經找到了一些證據，那麼入腦後的PM2.5能使大腦出現哪些變化，這些變化又是如何與腦血管疾病聯絡起來，其作用機制尚不清楚。
有研究認為進入大腦的顆粒物可能與大腦中的免疫細胞發生反應，而促發炎症反應（Block et al., 2007）及氧化應激（Moulton and Yang, 2012），導致腦損傷。Mònica Guxens 等在對學齡期兒童的認知能力進行評估的基礎上，透過MRI掃描發現PM2.5與腦皮質變薄相關（Guxens et al., 2018），這也是PM2.5導致認知能力下降的原因。動物實驗中，柴油顆粒的急性暴露能增加腦部多區域的小膠質細胞的活化、脂質過氧化和神經炎症，尤其是在海馬和嗅球部位（Costa et al., 2017）。
PM2.5進入大腦或加速阿爾茲海默症進展
也有研究認為顆粒物進入大腦，能加速阿爾茲海默症的進展與其所致的澱粉樣前體蛋白加工有關（Cacciottolo et al., 2017）。更直接地證據來自於前述Richard Neil Zare和趙金鐲為期6個月的動物暴露實驗。
該研究使用解吸電噴霧電離質譜成像（DESI-MSI）技術透過溶解磷脂分子的溶劑液滴噴灑小鼠腦組織切片，噴流中形成的次級液滴進入質譜儀，以此來確定腦組織中代謝物的組成，結果發現與Filtered air組小鼠相比，Dirty air 組小鼠腦組織中代謝物Sulfatides和Ceramide明顯升高（圖2），而Sulfatides的升高能導致腦血管滲漏，使更多的PM2.5進入大腦，加重腦損傷。Ceramide在細胞凋亡、分化和炎症反應中有重要的作用，是鞘脂代謝的主要產物，它直接參與了澱粉樣β（amyloid-β，Aβ ）蛋白的聚集，從而導致阿爾茲海默症中所見的神經原纖維纏結和斑塊形成（Saira Hameed et al., 2020）。
此外，其他的實驗證據也發現PM2.5的暴露能導致海馬體神經元清除增加、排列紊亂和水腫等腦組織實質性改變（Li et al., 2018）。這些都表明大氣PM2.5直接到達大腦並沉積在腦組織進而導致大腦結構和功能的改變是其促發腦血管疾病發生、發展的核心環節。
全世界範圍內，大氣PM2.5所致健康危害及其防護措施受到政府部門和研究者的廣泛關注，如何降低環境中PM2.5濃度是各國關注的重點。WHO和EPA等都制定了PM2.5的空氣質量指導值及空氣質量控制標準，並隨著經濟和科技的發展而進行相應的修訂，以此來更好地保護人群健康。
作者簡介
趙金鐲，復旦大學公共衛生學院副教授，上海市微量元素學會理事，中國毒理學會呼吸毒理委員會委員，主要研究方向：大氣汙染與健康。
審 校
Richard Neil Zare，教授，國際著名物理化學、分析化學家，中國科學院外籍院士。
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