Science：“空气污染或致痴呆”的科学研究综述
2017-03-03 佚名 科研圈
洛杉矶，加利福尼亚州——在一个位于110高速公路下风口100米处、四周密布刺铁丝网的封闭停车场内，一根铝制软管从一辆白色拖车上连接出来，其吸嘴正对着高架。该软管每分钟都会抽取上百升混有各类汽车尾气的空气，而这些尾气则排放自每天隆隆行经此处的300,000多辆汽车与柴油卡车。蜷缩在拖车内的年轻化学工程师 Afrian Saffari 打开了软管上已经被熏黑的汽缸。这一部分属于一个非常精密的过滤系
洛杉矶，加利福尼亚州——在一个位于110高速公路下风口100米处、四周密布刺铁丝网的封闭停车场内，一根铝制软管从一辆白色拖车上连接出来，其吸嘴正对着高架。该软管每分钟都会抽取上百升混有各类汽车尾气的空气，而这些尾气则排放自每天隆隆行经此处的300,000多辆汽车与柴油卡车。
蜷缩在拖车内的年轻化学工程师 Afrian Saffari 打开了软管上已经被熏黑的汽缸。这一部分属于一个非常精密的过滤系统，该系统会根据颗粒大小对污染物进行分类。附着在软管内部的，是组成成分极为精细的颗粒负载物：比人类头发直径的1/200还细小的硫酸盐、硝酸盐、铵盐、炭黑和重金属颗粒。
在南加州大学（USC）Constantinos Sioutas 实验室工作的 Saffari 称，这些颗粒物十分细小，大多数空气污染监测仪器都无法精确测量。而直径小于0.2 μm的“超细”（ultrafine）颗粒物则属于一种专门的空气污染物类型，即 PM2.5：这是一种对空气中直径小于或等于2.5 μm的固体颗粒或液滴的总称。颗粒物的毒性与大小密切相关，Saffari 解释道，细胞接触的颗粒物越小，其氧化应激水平越高，即产生破坏 DNA 与其他细胞结构的化学活性分子（如过氧化物等）越多。
吸入细颗粒物与超细颗粒物可能引发的一些健康风险已经得到了确认，如哮喘、肺癌，还有最近研究发现的心脏病等。但越来越多的证据表明，暴露在这些空气污染物中还可能损伤大脑、加速认知老化，甚至还可能增加罹患阿尔兹海默病与其他痴呆疾病的风险。
空气污染可能导致痴呆的观点仍然充满争议——即便支持这一观点的人也表示，两者的因果关系、颗粒物进入大脑的可能路径、造成大脑功能紊乱的具体机理还有待进一步研究。然而，全球各地越来越多的流行病学研究、动物模型与人类脑成像研究，以及越来越精确的 PM2.5浓度计算模型为人们敲响了警钟。南加州大学的研究者们于2017年1月底在《转化精神病学》（Translational Psychiatry）上发表了一项长达11年之久的流行病学研究结果，他们公布了以下结论：如果长期暴露在高于美国环境保护署（Environmental Protection Agency，EPA）规定的12 μg/m3的 PM2.5浓度下，那么老年女性患痴呆的几率会增加一倍。
该论文作者、南加州大学凯克医学院流行病学家陈居泉（Jiu-Chiuan Chen）教授表示，如果该研究结果在普通人群中也成立的话，那么全世界21%的痴呆病例都可以归结于空气污染。
不仅如此，加拿大多伦多大学的研究者们在2017年1月的《柳叶刀》（The Lancet）上发表了他们的结果：在660万接受调查的安大略省居民中，居住在距离主路不到50米处（这些地方的细颗粒污染物浓度比距离150米左右的高出10倍以上）的居民，罹患痴呆的几率比生活在200米以外的高出12%。
来自印第安纳大学（Indiana University）的神经科学家 Michelle Block 谨慎地表示，这还是一个“非常、非常新兴”的研究领域。不过她肯定，对研究空气污染对大脑造成的影响而言，现在是“极其激动人心的时刻”。如果研究结果得到了确认，那将为公共卫生专家提供大幅降低患阿尔兹海默病风险的控制手段，对这种极具毁灭性且目前为止仍无有效治疗手段的疾病来说，该研究无疑点亮了一丝希望。
本世纪早期，墨西哥城的疯狗们让研究者们第一次关注到，吸入污染空气会引发神经退行性疾病（neurodegeneration）。当时，一位名为 Lilian Calderón-Garcidue?as 的神经科学家（现任教于米苏拉市的蒙大拿大学）注意到，那些居住在城市特定受污染区域的高龄狗，经常会变得混乱不清、逐渐无法辨别方向，甚至不能识别出自己的主人。当这些狗去世后，Calderón-Garcidue?as 分析了它们的大脑，发现它们的脑组织细胞外沉积了大量的 β-淀粉样蛋白（一种同样出现在阿尔兹海默病病人大脑中的“斑块”），其数量远大于在污染程度较轻的城市中生活的狗。她接着研究了墨西哥城中意外死亡的儿童与青年，发现他们脑中的“斑块”数量有类似程度的上升；同样增多的还有炎症症状，例如极度活跃的胶质细胞、大脑的免疫细胞等。Calderón-Garcidue?as 的研究没有设置严格的对照，也没有说明另一个事实，即 β-淀粉样蛋白增多并不一定等于痴呆。不过，她的观察仍为未来的研究提供了重要的支持。
在110高速公路取完样后，那些附着了细颗粒物的管子就要发挥关键作用了。在南加州大学的一处地下实验室中，Sioutas 和他的团队通过医用雾化器雾化这些污染物，然后把污浊的空气通入关有实验小鼠的笼子，这些小鼠体内已经转入了人类的β-淀粉样蛋白基因；对照组生活在同一房间内，但呼吸经过过滤的纯净空气。在最近的一次实验中，经过一段特定的时间，即历时数周、共计220小时后，该团队的研究人员将这些啮齿动物递交给南加州大学的同事。接手的研究人员会杀死小鼠，然后观察它们大脑中神经退行性疾病的征兆。
一团抽取自加州洛杉矶高速公路的烟雾颗粒悬浮物，经过雾化后，将通入关有实验小鼠的容器内。图片来源：Spencer Lowell
研究人员让一组小鼠呼吸受污染的空气，而让另一组小鼠呼吸纯净的空气。数周之后，他们将观察两组小鼠的大脑。
南加州大学的神经科学家 Caleb Finch 和 Todd Morgan 是本次研究的主要负责人，他们一直都在研究衰老对大脑的影响。他们发现在呼吸污浊空气的小鼠体内，大脑的小胶质细胞（microglia）释放了大量的炎症分子，其中包括肿瘤坏死因子α（身患阿尔兹海默病的人体内该因子水平同样会升高，而且该因子与健忘密切相关）。暴露在污染环境中的小鼠还表现出其他大脑受损的症状，该研究团队在最近的几篇论文中发表了这些结果：与对照组相比，实验组小鼠体内含有更多的 β-淀粉样蛋白，神经突缩短、衰退，细胞衰老过程从神经元扩展到了其他细胞。
随空气漂浮的细颗粒物究竟是如何从啮齿动物的鼻腔进入大脑的？这其中的具体过程仍不明了。但由纽约罗切斯特大学 Günter Oberd?rster 领导的研究团队使用含碳同位素的颗粒示踪，证明小于200nm 的颗粒物吸入啮齿动物的鼻腔后，的确能够通过精巧的组织结构，一路进到神经元，甚至散布至小脑（位于大脑后方），并触发炎症反应。
为了厘清动物研究可能惠及人类的部分，科学家们仍需通过人类大脑成像技术和严格的认知实验，进一步探究空气污染程度与这些结果的相关性。
这并不是一项轻而易举的研究。美国国家环境健康科学研究所（National Institute of Environmental Health Sciences）的项目管理人 Kimberly Gray 称，关于环境污染程度，美国缺乏长期的历史数据，其他国家亦是如此。但在2016年9月发表的一份报告中，来自中国大陆和台湾地区、瑞典、德国、英国、美国等地的18项流行病学研究，除一项外，其余全部指出暴露在重空气污染（至少其中一项空气污染组成浓度超标）环境中与表现出痴呆迹象的相关性。这份发表在《神经毒理学》（Neurotoxicology）的报告中，包括一项2012年针对美国19,000名退休护士开展的调查。该调查表明，这些护士所处环境的细颗粒物浓度越高（根据他们住所附近的监测数据），他们在认知测验中的表现水准就下降得越快。这项调查的主要负责人、来自波士顿大学的流行病学家 Jennifer Weuve 提到，每增加10 μg /m3的污染物浓度，他们在记忆力和注意力测试中的表现水准就会有相当于衰老两岁的下降。
影像学研究也表明，空气污染会损害人类的大脑。在2015年的一项研究中，通过对参与弗雷明汉心脏研究项目（新英格兰地区的一项长期心血管研究项目）的成员进行脑部核磁共振成像（MRI），哈佛大学医学院的研究人员发现，住得离主机动车道越近（因而更可能暴露在高PM2.5浓度下），这些居民的大脑脑容量就越小。即使根据受教育程度、吸烟与否、肥胖程度以及心血管疾病等影响因素作出适当调整后，这种相关性仍然成立。
上述研究发布不久，陈居良教授便报告了另一例脑容量缩减的研究案例。在被测的1403名老年女性中，所处环境的 PM2.5浓度每增加3.5 μg /m3，其大脑中的白质（一种连接大脑不同部位的绝缘神经纤维）总体积就会缩减6 cm3。而此处用到的 PM2.5浓度变化，来自被测者接受脑部扫描前，其住所周围6~7年以来的空气质量监测数据。Block 解释道，陈教授对白质的研究发现与人工培养的神经元研究结果一致，这表明暴露在高浓度 PM2.5环境中会导致髓磷脂（myelin，一种发挥“绝缘体”功效的脂质，包覆在轴突外层）“最终脱落，就好像创可贴一样”。
污染物颗粒可能会直抵大脑并对其造成损害，或者会通过诱发炎症分子而进行“远程攻击”。
目前何地风险最大尚未明了。燃烧石油和天然气、木柴、植被等任何东西都会产生 PM2.5。全球各地对 PM2.5的监测数据都有不足，以美国为例，只有不到三分之一的郡县拥有臭氧或颗粒物污染监测器，偏远农村地区的覆盖程度更是稀疏。Gray 表示，在过去的几年中，新建立起来的计算模型可以协助填补监测数据中的缺口。
华盛顿大学的生物统计学家 Lianne Sheppard 表示，她将以华盛顿州西雅图市为驻地展开研究，检测参与者一生中暴露在PM2.5污染中的时间与痴呆发病率之间的相关性。
Sheppard 和她的同事将充分利用他们之前为研究空气污染与动脉粥样硬化之间联系开发的计算模型。Sheppard 表示，该模型 “建立在大量的幕后工作之上”。首先，他们需要编译十多年以来，来自美国600000多个分布点的 PM2.5以及其他污染物浓度的监测数据。针对每一个分布点，他们计算了800个不同的地理信息变量，比如该地点与港口、工厂、精炼厂、渣油和道路之间的距离。然后，他们设计了一个25 m × 25 m 的网格，测量每一网格中的 PM2.5浓度，再通过计算模型拟合得到这些数据。以该模型为分析基础，Sheppard 和同事们将撰写一份更加细致的报告，评估就西雅图及周边地区过去十几年的空气污染程度。
为了调查该地区的痴呆患者比例，他们将利用未来成人变化研究项目（Adult Changes in Thought）的数据，该项目监测了20年来西雅图地区5000名老年人的健康状态变化。尽管在加入该研究项目之初，所有参与者的认知状态都很正常，但随着年龄的增长，约1000名老人在65岁左右出现了痴呆的症状，其中包括859名阿尔兹海默病患者。去世后，很多参与者都将自己的大脑捐献给了科学研究（目前已有600多名捐献者），病理学家便可以据此检查他们脑组织中异常的蛋白组成、脑血管损伤，以及其他的细胞应激反应。Sheppard 表示，这类分析结合基因研究，不仅能使她的团队深入探测“空气污染与认知能力之间的流行病学关系，更能就具体的作用机制开展深度探讨”，如此，他们才能更好地解释空气污染物对人类大脑的影响。
有些研究者则比其他人更谨慎。在《转化精神病学》上发表的研究中，陈居良教授的团队发现，携带阿尔兹海默病致病基因 APOE4的女性，在空气污染条件下更容易患病。最近，Finch 开始考察 PM2.5与香烟烟雾之间的重复作用以及潜在的协同效用。香烟烟雾本身就含有大量的超细颗粒物，在小鼠实验中，可以诱发淀粉样蛋白斑的生成以及神经炎症。Finch 表示，尽管人们一度认为抽烟能预防阿尔兹海默病，但后续研究表明，烟草烟雾其实是该病的一大诱因。例如，在2014年世界卫生组织发布的报告中，全世界 14%的阿尔兹海默病都被归因于抽烟。
空气污染可能会对穷人的认知能力造成更大的损害，因为从某种程度而言，他们更可能居住在高 PM2.5浓度的环境中，譬如主机动车道旁或港口。Jennifer Ailshire 是一名南加州大学的社会学家，她表示，与贫穷等相关的应激源可能会加剧有毒颗粒物对人体的损害。她近期的一项研究表明，参与认知测验的老年人如果生活在垃圾遍地、犯罪率高的脏乱环境中，其测试表现会比居住在空气污染程度相当、但所处社区更加宜居的测试者更差。Jennifer 说道：“住在洛杉矶，我们都会暴露在各种各样的污染之中，但其中一些人并不会受到太大的影响。”她还表示，当我们试图降低空气污染对人体健康的损害时，“可能需要着重关注某些特定社区的空气污染程度，因为那里的居民更容易受到影响。”
如果 PM2.5的确是造成上述这些损害的主因，那么，研究人员们认为，全世界的政策制定者都应该尽可能地大幅度降低其浓度。纵览相关的所有研究，Finch表达了自己的忧虑：“我认为空气污染最终可能会和烟草一样——并不存在什么安全阈值。”
原始出处：
Emily Underwood.Air pollution, particularly in major cities such as Los Angeles, California, may promote brain inflammation and disease.ChemistryHealth
DOI: 10.1126/science.aal0656
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