雾霾颗粒物中PM2.5对健康的影响受到我们关注,特别是其对呼吸道及肺部的影响,PM2.5可导致呼吸道及肺部损伤或慢性炎症,而对于已经存在的慢性气道炎症性疾病如慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease,COPD）的影响,流行病学资料表明,PM2.5暴露浓度的短期增加就可导致COPD急性加重的住院风险增加。但PM2.5具体的损伤效果及机制尚不明确。有待我们进一步研究的内容包括PM2.5对COPD急性加重住院率的影响特征及环境治理后的健康效应;PM2.5至COPD急性加重的机制,以及减轻PM2.5损伤的治疗措施等。在环境与健康流行病学研究方面,近期一些报道对PM2.5等空气污染物与呼吸道疾病如COPD发病及急性加重的关系进行了分析,说明了PM2.5是COPD入院率增加的重要影响因素。而且,对空气污染的控制确实受到了前所未有的重视。2013年,中国政府启动全国空气污染治理预防和控制行动计划（2013-2017年）,立法严格,2017年开始空气质量明显改善,观察空气质量改善后的健康效应,即PM2.5致COPD急性加重的入院风险是否发生了变化,是我们想进一步研究的。PM2.5成分中包含多种多环芳烃（Polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs）,PAHs是环境中的有机污染物成分。芳香烃受体（Aryl hydrocarbon Receptor,AhR）作为烟雾及环境污染物解毒代谢的起点,在肺内分布密集。AhR在COPD发病过程中有重要作用,而且,有研究表明,AhR参与了PM2.5促氧化和促炎症作用的分子机制,AhR通路在PM2.5致COPD发病及加重中的作用机制尚不明确。气道上皮中的克拉拉细胞（Clara Cells,CC）具有抗炎和免疫调节作用,CC对AhR的配体敏感,是AhR活化后细胞色素P450 1A1（Cytochrome P450 1A1,CYP1A1）激活表达及PAHs等污染物细胞毒性的主要靶细胞。CC特异性分泌蛋白（Clara cell specific protein,CCSP）是肺损伤的敏感标志物,也是COPD肺损伤及严重程度的评价指标。PM2.5可以导致CC受损,但机制尚不明确,我们提出假设:PM2.5致COPD急性加重的病理生理学表现可能为CC受损,而CC受损的机制可能与AhR通路有关。浓缩大气颗粒物（Concentrated Ambient Particles,CAPs）是我们研究PM2.5吸入暴露的有利工具,PM2.5的浓度、粒径、成分等特征可监测,能更加准确的反应动物吸入颗粒物气溶胶的特征。而且浓缩大气PM2.5吸入暴露比以往气道滴入PM2.5提取物的方式更加贴近于真实状态PM2.5对呼吸系统的影响。在研究PM2.5造成的肺损伤效果及相关机制的同时,我们也在探索一些减轻PM2.5损伤的保护措施。本研究小组前期的实验中,已经证明氢气（H₂）吸入对减轻大鼠PM2.5相关肺损伤的保护作用,表现为改善肺功能、减轻气道粘液（粘蛋白Mucus 5AC,MUC5AC）高分泌、减轻肺的炎症及氧化应激等。但是H₂保护机制尚不完全明确。一些研究表明氢分子能通过Nrf2途径减轻高氧性肺损伤,而Nrf2通路的激活大多是由AhR介导的,H₂的保护作用机制是否与AhR有关需进一步研究。我们的研究分为三部分。第一部分为流行病学研究,基于石家庄地区2015-2019年的资料,我们采用环境污染物六因素（PM2.5、PM10、SO₂、NO₂、CO及O₃）及温度湿度等作为环境空气质量指标,评价这些指标对COPD每日入院人次数的影响,并评估空气质量改善后,COPD每日入院人次数的趋势变化,而且对污染物健康效应评价方法进行了初步探索。第二部分为机制研究的基础实验,我们使用浓缩大气PM2.5暴露系统,观察吸入PM2.5对健康大鼠及COPD模型大鼠肺损伤的效果,及AhR和CYP1A1蛋白表达的变化特征与肺损伤的关系,从AhR-CYP1A1信号途径探讨PM2.5致大鼠气道CC损伤的机制。第三部分为氢气减轻PM2.5肺损伤相关研究的基础实验,以CC特异性分泌蛋白（CCSP）作为肺损伤指标,进一步评价了氢气对减轻PM2.5所致CC损伤的肺保护效果,并初步探讨了吸入高浓度氢气（67%H₂）减轻PM2.5相关肺损伤保护作用的机制。第一部分2015-2019年石家庄地区空气质量对COPD每日入院人次数的影响目的:评价环境空气质量指标对COPD每日入院人次数的影响,并评估空气质量改善后,COPD每日入院人次数的变化,对污染物健康效应评价方法进行初步探索。方法:收集2015年1月1日至2019年12月31日期间每日因COPD急性加重住院的石家庄市医保患者资料;并取得该期间石家庄市空气质量六因素日均浓度,包括PM2.5、PM10、二氧化硫（SO₂）、二氧化氮（NO₂）、一氧化碳（CO）和臭氧（O₃）等,及温度湿度指标。数据整理及统计分析分两个时间段:第一阶段对2015-2018年4年数据应用分布滞后非线性模型（DLNM模型）分析环境污染物对COPD住院人次数影响的短期效应;第二阶段应用多元时间序列模型（VAR变量自回归模型）对2015-2019年5年数据进行分析,评估空气质量改善后,COPD每日入院人次数的趋势变化,及空气污染物中可能的影响因素。结果:1. 各指标的周期性波动（描述性分析）:PM2.5、PM10、SO₂、NO₂、CO以及COPD每日入院人次数均在每年冬季（1月份前后）处于升高的峰值;O₃及温度则相反,冬季降至最低值,每年夏季（7月份前后）处于升高的峰值。2.各指标的逐年趋势变化（描述性分析）:2015年1月至2017年1月PM2.5、PM10、SO₂、NO₂、CO等污染物在相同季节均呈逐年上升趋势,2017年冬季（2018年1月前后）开始较前同期呈下降趋势,空气质量较前两年同期有所改善,而O₃始终是逐年上升趋势。而COPD每日入院人次数,在2015年1月至2018年1月之间呈逐年上升趋势,而2018年1月之后（2017年底之后）增长趋于平缓,未再继续随时间上升。3.分布滞后非线性模型（DLNM模型）结果:PM2.5对COPD每日入院人次数的影响存在一定的滞后效应与累积效应;温度下降到约-8℃以下时,对COPD每日入院人次数的影响存在一定的即时效应与累积滞后效应。4.变量自回归多元时间序列模型（VAR模型）结果:COPD每日入院人次数主要受自身逐年累积（自身序列）影响外,也可能受到SO₂、PM2.5浓度水平的影响,且可能存在一定的滞后效应。小结:1. 从以上线性与非线性模型中可以看出,2015-2019年间石家庄地区COPD每日入院人次数可能受到PM2.5、SO₂等成分及气温下降等短期滞后效应的影响。2.石家庄地区COPD每日入院人次数逐年上升趋势在2017年底之后趋于平缓,COPD每日入院人次数的趋势变化主要受自身逐年累积因素（自身序列）影响外,也可能受大气PM2.5、SO₂浓度变化的影响。第二部分浓缩大气PM2.5致正常及COPD大鼠肺损伤表现及芳香烃受体相关的机制研究目的:观察浓缩大气PM2.5致正常及COPD模型大鼠不同的肺损伤表现及AhR信号通路蛋白表达的差别,探索AhR在PM2.5致CC受损机制中的作用。方法:1. 实验动物分组及浓缩大气PM2.5暴露方案:48只健康、雄性SD大鼠,分为8组（每组6只）:正常对照2周组（Normal+FA 2w）、正常暴露2周组（Normal+PM 2w组）、正常对照4周组（Normal+FA 4w组）、正常暴露4周组（Normal+PM 4w组）、COPD对照2周组（COPD+FA 2w组）、COPD暴露2周组（COPD+PM 2w）、COPD对照4周组（COPD+FA4w组）、COPD暴露4周组（COPD+PM 4w组）。所有对照组在暴露塔内吸入清洁过滤空气（FA）,所有暴露组在暴露塔内吸入浓缩大气PM2.5（PM）,暴露时间为2周（2w）或4周（4w）,每周5天,每天5小时。另外,9只健康雄性SD大鼠,分为3组（每组3只）:正常对照组（FA组）、PM暴露组（PM组）及PM暴露拮抗剂组（PM+TMF组）。吸入FA或浓缩大气PM2.5（PM）暴露时间为期2周,每周5天,每天5小时。每周第1天暴露前腹腔注射溶剂DMSO 1ml或AhR拮抗剂（TMF）溶液,共2周。2.检测指标及方法:暴露期间PM2.5质量浓度（滤膜称重法）、粒径分布及采集PM2.5样品中多环芳烃（PAHs）成分测定;暴露结束后测定大鼠有创肺功能（Rrs和PEF）,收集肺泡灌洗液（Balf）及血清,留取肺组织冻存及制作病理学石蜡切片。酶联免疫法（ELISA）测Balf及血清中CCSP水平,免疫组化法（IHC）测肺组织CCSP表达,Western Blot免疫印迹法测肺组织AhR、CYP1A1及CCSP蛋白表达。结果:1. 暴露期间浓缩大气PM2.5平均质量浓度为750[585,1310]μg/m³,浓缩大气PM2.5粒径分布符合PM2.5的粒径范围,浓缩大气PM2.5对大气PAHs成分起到浓缩作用（浓缩倍数在3～12倍,不同成分不同）。2. 肺功能:正常大鼠在PM暴露2w时肺功能无明显改变,PM暴露4w时肺功能明显下降;COPD大鼠本身肺功能较正常大鼠低,PM暴露2w和4w肺功能均进一步降低。3. Balf及血清CCSP:PM2.5可导致正常大鼠Balf中CCSP降低,暴露4w时血清CCSP也可降低;COPD大鼠本身存在Balf中CCSP的降低,PM2.5暴露4w时CCSP进一步降低;而血清中CCSP水平,PM2.5暴露2w和4w时COPD大鼠均有升高。4. 气道CCSP免疫组化:PM2.5暴露2w或4w,正常大鼠CC均有减少,暴露4w时CC形态改变明显,CC受损明显;而COPD大鼠本身就存在CC数量的减少,PM2.5暴露2w时CC数量变化不明显,形态上变细变薄,PM2.5暴露4w时CC数量减少明显,形态改变,CC受损,气道结构紊乱,上皮连续性受损。5. 肺组织AhR和CYP1A1蛋白表达（Western Blot）:2w时间的PM2.5暴露可激活正常大鼠AhR,即表现为AhR下调和CYP1A1上调,而COPD大鼠本身AhR比正常大鼠低且CYP1A1比正常大鼠高,说明COPD本身存在AhR的激活,当进一步PM2.5暴露后,AhR仍有进一步下调,但CYP1A1进一步上升的幅度比正常大鼠低。4w时间的PM2.5暴露AhR在正常大鼠及COPD大鼠均下调,且COPD大鼠下调的更明显,而CYP1A1在正常大鼠和COPD大鼠较对照FA均无明显升高,上升幅度差别亦无统计学意义。说明4w的PM2.5暴露AhR虽然被活化下调,但CYP1A1的上调可能受到抑制。6. AhR拮抗剂（TMF）对CCSP表达的影响:TMF逆转了PM2.5暴露导致的Balf中CCSP（ELISA法）和气道上皮CCSP阳性-CC（IHC法）的减少,以及CCSP蛋白表达（Western Blot法）的下调。小结:1.浓缩大气PM2.5暴露2周和4周可造成正常大鼠和COPD大鼠不同的肺损伤表现;COPD大鼠肺功能进一步下降的时间更早,肺损伤程度更重。2.浓缩大气PM2.5暴露可激活AhR-CYP1A1通路;而AhR-CYP1A1通路的蛋白表达形式,因PM2.5暴露持续的时间不同而不同。3.浓缩大气PM2.5可导致CC受损,而存在COPD疾病状态时表现更严重,可能导致COPD气道上皮完整性的破坏;4.浓缩大气PM2.5导致CC受损的机制可能与AhR通路有关。第三部分氢气减轻PM2.5诱发的肺损伤相关研究目的:以CC特异性分泌蛋白（CCSP）作为肺损伤指标,评价氢气对减轻PM2.5所致CC损伤的肺保护效果,并初步探讨吸入高浓度氢气（67%H₂）减轻PM2.5相关肺损伤保护作用的机制。方法:1.实验动物分组及浓缩大气PM2.5暴露方法:35只健康雄性Wistar大鼠,分为5组（每组7只）:清洁空气对照组（FA组）、PM暴露组（PM组）、PM暴露+氮氧组（PM+N组）、PM暴露+H₂组（PM+H组）、H₂对照组（FA+H组）。吸入清洁过滤空气FA或浓缩大气PM2.5（PM）5h/天,每周5天,连续4周;“N”为PM2.5暴露后,再吸入67%N₂和33%O₂混合气体2h;“H”为PM2.5暴露后,再吸入67%H₂和33%O₂混合气体2h。2.检测指标及方法:暴露期间浓缩大气PM2.5动态浓度（质量浓度检测仪）、粒径分布;暴露结束后留取大鼠肺组织冻存及制作病理学石蜡切片。免疫组化法（IHC）测肺组织CCSP表达,Western Blot免疫印迹法测肺组织AhR蛋白表达。结果:1.浓缩大气PM2.5暴露期间环境大气日平均PM2.5浓度为122.4±96.9μg/m3。气溶胶质量浓度监测仪测定的PM2.5暴露塔中动态颗粒物质量浓度在452μg/m³（最小值）和2786μg/m³（最大值）之间波动,平均质量浓度为1328±730μg/m³。浓缩大气PM2.5粒径分布符合PM2.5的粒径范围。2.气道CCSP免疫组化:PM2.5吸入导致CCSP阳性的CC明显减少,气道上皮结构稍紊乱。PM2.5导致CC受损,PM2.5暴露时联合氢气吸入使CC受损减轻。3.PM2.5可下调AhR水平,H₂吸入可抑制PM2.5引起的AhR下降。小结:1.浓缩大气PM2.5亚急性（4周）暴露可导致大鼠气道克拉拉细胞（CC）受损,而高浓度的H₂吸入可减轻CC损伤;2.H₂减轻PM2.5肺损伤可能是通过AhR相关的机制。结论:流行病学研究方面,2015-2019年间石家庄地区COPD每日入院人次数可能受PM2.5、SO₂等空气污染物的影响,而COPD每日入院人次数逐年上升的趋势在2017年之后趋于平缓。动物实验方面,浓缩大气PM2.5暴露可造成正常大鼠和COPD大鼠在肺功能、CC受损方面程度不同的肺损伤表现;COPD大鼠发生损伤的程度更重,可能存在气道上皮屏障的损坏;PM2.5导致的CC损伤及高浓度氢气的保护作用机制都可能与AhR有关。