全 文 ：第23卷 第8期
2011年8月
生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
Vol. 23, No. 8
Aug., 2011
文章编号：1004-0374(2011)08-0784-06
空气污染与神经退行性疾病
吴远双，孟庆雄，魏大巧，白　洁*
(昆明理工大学生命科学与技术学院，昆明 650224)
摘　要：随着现代社会工业的发展，空气污染日益严重，空气污染对人体的损害也越来越大。空气污染中
的有害物质，能通过各种途径引起各系统的疾病，甚至会影响儿童的身体和智力发育。研究发现，长期暴
露或急性暴露在某些空气污染物中可以直接损伤中枢神经系统，或污染物引起呼吸系统和免疫系统等产生
有害因子，通过外周循环到达大脑，导致大脑的神经炎症、神经毒性、氧化应激等反应，最终产生神经退
行性病变，如阿尔茨海默病 (Alzheimer’s disease, AD)、帕金森病 (Parkinson’s disease, PD)等。
关键词：空气污染；神经炎症；神经毒性；氧化应激；神经退行性疾病
中图分类号：Q494；X503,1；R742.5 文献标志码：A

Air pollution and neurodegenerative diseases
WU Yuan-Shuang, MENG Qing-Xiong, WEI Da-Qiao, BAI Jie*
(College of Life Science and Technology, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650224, China)
Abstract: With the quick development of modern industry, air pollution has been exploding in the past decades,
which consequently results in more and more damage to human body. Environmental toxins from polluted air can
cause pathologic change of every system in our body and even influence body and intelligence development of
children. Recently, it has been reported that chronic exposure or acute exposure to the pollution matters could cause
direct damage on the central nervous system (CNS), or stimulate some susceptible system (e.g., the respiratory
system, immune system, etc.) to produce some harmful factors, which can reach the brain though peripheral
circulation and then cause neuroinflammation, neurotoxicity, oxidative stress, eventually result in neurodegenerative
diseases, such as Alzheimer’s disease and Parkinson’s disease. This review focuses on the pathways and the
mechanisms of neurodegenerative diseases caused by air pollution.
Key words: air pollution; neuroinflammation; neurotoxicity; oxidative stress; neurodegenerative diseases
收稿日期：2011-03-27； 修回日期：2011-05-09
基金项目：国家自然科学基金项目(3086085)；云
南省中青年学术技术带头人后备人才基金资助项目
(2006YP01-07)；云南省教育厅基金项目(14051230)
*通信作者：E-mail: jiebai662001@yahoo.com.cn; Tel:
15025191617
空气污染和噪音污染、水污染并称为三大污
染。空气污染对人类本身的直接危害也是巨大的。
人需要呼吸空气以维持生命。一个成年人每天吸入
空气达 15~20 m3，因此，被污染了的空气对人体
健康有直接的影响。尽管空气污染受到了重视，但
是由于其无形无色的特性、成分的多样性和持续性
使之难以被控制，从而成为诱发各系统疾病的原因
之一。空气污染对人体的损害主要表现在呼吸系统、
心血管系统以及影响儿童的生长和智力发育障碍
等方面。近年来的研究发现：空气污染亦与中枢神
经系统疾病的发生相关，尤其与神经退行性疾病的
发病关系密切 [1-2]。本文仅对空气污染影响神经退
行性疾病的途径和机理进行简要论述。
1　空气污染影响神经退行性疾病的途径
空气污染的成分很复杂，主要是粒子、液滴、
各种气态化合物和金属物质及它们的混合物，如臭
氧、一氧化碳、一氧化氮、芳香族化合物、氧化硫、
吴远双，等：空气污染与神经退行性疾病第8期 785
锰、镍、脂多糖 (LPS)等 [3]。当其中的有害物质达
到一定的量就会对人体产生危害。空气污染能通过
多种途径对大脑产生有害影响，引起神经炎症、氧
化应激和神经元死亡等，进而导致神经退行性疾病
的发生 (图 1)。
1.1　外周系统产生各种细胞因子或有害物质通过循
环系统进入大脑导致神经退行性病变
系统炎症与各种神经退行性疾病有关 [4]。空气
污染物质进入人体，激活外周免疫系统，引起外周
组织、呼吸系统和心血管系统等的促炎症信号出
现，使得细胞因子水平升高，各种促炎症因子进入
循环系统，通过扩散和主动运输进入大脑 [5]，激活
大脑内的免疫细胞，产生神经炎症，导致大脑内细
胞的损伤而产生神经退行性病变。
主要空气污染物之一的臭氧是一类活性氧和强
氧化剂，在肺中能与蛋白质、脂类相互作用，使蛋
白质和脂类被氧化，产生一些有毒成分 [6]， 通过血
液循环到达大脑，最终导致脑内氧化应激。急性或
慢性臭氧暴露诱导的氧化应激，导致大脑脂质过氧
化，黑质内多巴胺能神经元死亡，神经元形态学上
的损伤，最终导致运动障碍和记忆障碍 [7]。
1.2　空气污染组分直接进入大脑产生神经炎症或直
接的神经毒性
空气污染组分中很多物质都能进入大脑，包括
一些超小粒子、可溶性成分和气体。空气污染中的
粒子往往是一些固体颗粒及悬浮的液滴的混合物。
根据这些粒子的大小分为 PM10(直径从 2.5~10 μm
的粗颗粒 )、PM2.5(直径＜ 2.5 μm的细颗粒 )和
UFPM( 直径＜ 0.1 μm 的超细颗粒 )。PM2.5 和
UFPM主要来源于工业活动，往往包含一些有机和
无机成分，它们本身形成粒子或者吸附在粒子上，
如硫酸盐、硝酸盐、金属粒子等，这些物质是空气
污染物中的主要成分。还有一些其他物质也可以通
过吸附在粒子上进入呼吸系统、循环系统或其他途
径，以扩散和主动运输等方式进入大脑。
超小粒子能进入大脑已是不争的事实，已有人
提出用纳米粒子作为理想的药物载体使药物能进入
中枢神经系统 [8]。啮齿类动物实验也证明，吸入的
超细粒子能进入到循环系统及大脑内 [9]。鼻嗅黏膜
被认为是一个关键的入口 [10]，该部位能吸收超小粒
子到达三叉神经、脑干和海马。最近，超小粒子在
人脑中被发现，特别是在嗅球旁神经元中发现的粒
子物质和在额叶内的红细胞和三叉神经节中发现的
小于 100 nm的粒子物质 [2]。这些发现说明，空气
污染中的成分可以到达大脑，甚至脑实质。当然，
粒子与血脑屏障的相互作用亦是重要的途径 [2]。
空气污染成分到达大脑后可能通过两种途径
对中枢神经系统产生影响。一是这些物质自身能激
活大脑内在的免疫反应，引起炎症反应。大脑内部
的免疫细胞——小胶质细胞上存在表面模式识别受
体，能识别大的病原体相关的分子，如电荷和蛋白
聚集物 [11]。对纳米级别碳 (炭黑，一种未吸收其他
图1 空气污染影响神经退行性疾病的途径
生命科学 第23卷786
成分的粒子 )的毒性作用的研究证明，单独的炭黑
吸入能引起炎症，表明粒子本身的某些特性能引起
炎症反应 [12]。小鼠暴露在 UPFM中能诱导嗅球中
的促炎症细胞因子 (TNF-α、IL-1β和 IFN-γ)的产
生 [13]。呼吸上皮和小胶质细胞 (大脑内的巨噬细胞 )
对粒子的炎症反应和粒子的物理化学特性和表面电
荷相关 [14-15]。因此，有些粒子本身在到达大脑后也
能促进炎症的产生。二是，一些物质本身就具有免
疫刺激特性，如众所周知的脂多糖，也是空气污染
物的一种，起作用后能直接产生神经炎症 [16]。
此外，空气污染中还存在一些成分，它们本身
就具有神经毒性，如铅、锰等。锰作为一种基本的
微量元素，能平衡人体的生理机能，但过多吸入时
则产生毒性。它也是城市空气污染中的组分，主要
来源于工业活动。另外，当汽油中添加甲基环戊二
烯三羰基锰作为抗震剂时，锰也能通过汽油燃烧扩
散到空气中。职业暴露在锰元素中，会产生神经毒
性和帕金森病症状 [17]，有趣的是锰对神经元产生直
接损伤，而对小胶质细胞的毒性则很小 [18]。
2　空气污染影响神经退行性疾病的机理
在逐渐明确了空气污染物到达大脑的途径后，
可以发现很多空气污染组分最终都会通过神经炎症
而导致神经退行性疾病，而部分是通过直接神经毒
性和氧化应激而导致神经退行性疾病，并且，这些作
用往往不是单独出现，而是有相互协同作用的 (图 2)。
2.1　神经炎症与神经退行性疾病
神经炎症是神经退行性疾病进程中的一个重要
机制 [16]。如前所述，空气污染可以通过系统炎症引
起神经炎症，进而导致对神经元的损伤。其中，有
多种细胞参与了神经炎症，如外周免疫细胞、小胶
质细胞 (中枢神经系统的内在巨噬细胞，是大脑中
对免疫刺激产生反应的主要细胞类型 )、星形胶质
细胞等 [19]。
在系统炎症中产生的细胞因子，如 TNF-α、
IL-1β均能引起神经炎症 [20-21]。例如，在成年小鼠
身上注射低浓度的脂多糖引起的慢性轻度炎症以及
轻微的神经炎症，使动物对进一步的促炎症刺激更
加敏感 [21]。在大鼠中单一大量的促炎症刺激 (一次
注射高浓度的脂多糖或肿瘤坏死因子 TNF-α)能诱
导慢性的神经炎症及外周炎症反应，炎症反应可以
通过血液循环到达脑脊液、脑室和侧脑室，最终产
生神经元损伤。因此，在外周炎症消退后神经炎症
还可以持续几个月，甚至会引起神经元死亡 [22]。成
年动物在其发育早期时的系统炎症亦能引起和促进
神经元的死亡 [23]。此外，除了神经元的死亡外，空
气污染引起的系统炎症还可能引起嗅觉、呼吸功能
和血脑屏障的损伤及进一步的神经系统病变 [24]。此
外，小鼠注射外周肿瘤坏死因子后，大脑中会累积
大量的单核细胞 [25]，也说明外周系统炎症能引起神
经炎症，从而引起神经退行性疾病。
小胶质细胞广泛分布于 CNS，在中枢神经系
图2 空气污染导致神经退行性疾病的机理
吴远双，等：空气污染与神经退行性疾病第8期 787
统受到损伤和有炎症时，这些细胞释放多种促炎症
因子和抗炎症因子以清除病原体和细胞碎片。尽管
小胶质细胞的激活对机体的防护和神经元的存活是
必需和关键的，但是过度激活则会导致有害的神经
毒性 [26]。在一些神经退行性疾病如阿尔茨海默病和
帕金森病中，存在着小胶质细胞过度激活表象 [11,16]。
小胶质细胞的过度反应促进细胞因子 (如 TNF-α、
IL-1β和一氧化氮等 )分泌或直接吞噬神经元，导
致神经元死亡，对神经元产生毒性 [11,27]，最终导致
或加速神经退行性疾病进程。IL-1由于它的免疫调
节和在中枢神经系统中的作用，与多种疾病密切相
关，因此，被认为是一个多功能和多效性的大脑原
发的细胞因子。在海马区 IL-1受体高表达，使之对
神经炎症的损害最为敏感 [28]，容易导致学习和记忆
的损害。对 IL-1受体进行阻断，则能削弱该影响 [28]。
IL-1β在正常的学习和记忆过程中是必需的，而外
源调节或内源水平的过高则对认知行为产生不良影
响 [29]。其他细胞因子，如 TNF-α和 IL-6也能加速
认知紊乱的进程 [30]。另外，LPS可以导致小胶质细
胞表面受体和转录因子 Kruppel-like factor 4增高，
从而增加 TNF-α、MCP-1、IL-6、iNOS和 Cox-2的
表达 [11,19]。胶质细胞激活被抑制可能减轻神经炎症
和神经退行性疾病的进程 [16]。在体外小胶质细胞－
成神经细胞共培养发现：KT-15073(已被证实能有
效缓解小胶质细胞产生 NO和 TNF-α，抑制 IL-1β、
iNOS的表达等 )可以通过削弱小胶质细胞的神经
毒性，从而起到保护神经元的作用 [16]。这说明对小
胶质细胞激活及随后的神经炎症的抑制可以干预神
经退行性疾病的进程，同时也为治疗神经退行性疾
病提供了思路。
神经元－胶质细胞经柴油发动机尾气 (DEP)处
理后显示出 DEP对多巴胺能神经元的毒性与小胶
质细胞有关，炎症因子对 DEP所致多巴胺能神经
元损伤也起到了重要作用 [31]。
从以上部分可以发现小胶质细胞在空气污染导
致的神经退行性疾病进程中起重要作用。许多污染
物通过多种途径激活小胶质细胞，所以，明确小胶
质细胞相关的神经炎症的分子机理成为许多神经退
行性疾病和神经炎症研究的焦点 [32]。
星形胶质细胞的激活亦参与了神经炎症反应，
其激活与人类持续暴露在高水平空气污染中的中枢
神经系统其他类型的损伤有关，主要表现在神经胶
质纤维酸性蛋白的表达增加 [2]。对动物在臭氧暴露
中的研究发现，位于脑毛细血管附近的星形胶质细
胞中 IL-6 和 TNF-α的表达增强 [33]。此外，星形胶
质细胞暴露在臭氧中则导致死亡 [34]，但星形胶质细
胞如何被激活尚不清楚，它的改变在相关神经退行
性疾病中扮演了什么样的角色还需进一步研究来探
索。
2.2　神经毒性与神经退行性疾病
空气污染的一些组分可能对神经元有直接的毒
性，如锰的主要作用部位是神经系统，它可以诱导
神经细胞凋亡，对多巴胺能神经元有杀伤作用，产
生类似于 PD的症状 [18]，锰还能激活小胶质细胞，
从而释放炎症因子，加重了锰对多巴胺神经元的毒
性，对小胶质细胞的抑制可以减轻神经元的死亡，
所以锰的神经毒性还与神经炎症有关 [16,35]。这些研
究说明，锰通过直接的神经毒性，导致多巴胺能神
经元死亡，还能激活小胶质细胞释放炎症因子，从
而加速神经元的死亡。
2.3　氧化应激与神经退行性疾病
氧化应激与许多神经退行性疾病有关 [36]。氧
化还原的平衡对维持大脑的修复功能是必需的，氧
化还原状态被破坏与中枢神经系统的多种损伤有
关。氧化还原失衡导致过度的氧化应激，进而导致
对活性氧自由基 (reactive oxygen species, ROS)敏
感的神经元的死亡，致使大脑产生氧化损伤 [37]。
Rivas-Arancibia等 [7]研究发现，臭氧引起的氧化应
激在早期虽然能促进神经发生，但长期暴露却能引
起神经元死亡，进而产生海马中脑功能的进行性丢
失，脑可塑性的下降，导致记忆缺陷，产生类似于
阿尔茨海默病的症状。此外，大鼠出生前暴露在臭
氧中会导致成年后神经递质的变化，尤其是儿茶酚
胺类递质的下降 (如多巴胺、去甲肾上腺素等 )[38]。
由于臭氧的半衰期短，有人认为它不大可能通
过物理途径直接到达大脑。已有人提出臭氧和肺组
织相互作用后产生的分子调控着肺的臭氧反应 [39]。
Dorado等 [40]研究认为当臭氧水平过高时，肺中产
生的 ROS能通过血液循环到达大脑，从而产生氧
化应激。而有人认为由于自由基簇的高反应性和短
的半衰期使得这种假设看上去不太可能 [41]。然而，
臭氧的浓度和持续时间确实与脑损伤程度有关 [42]，
并且氧化应激与该作用密切相关 [43]。因此，臭氧浓
度过高时产生的 ROS浓度也较高，部分自由基还
能到达大脑，导致了氧化应激的损伤。
还有一种假设是，在肺的促炎症反应 (系统炎
症 )中产生的乙醛臭氧 -脂质副产物、臭氧修饰的
可溶性蛋白、激活的单核细胞或者细胞因子对中枢
生命科学 第23卷788
神经系统产生有害影响。动物暴露在臭氧中后其脑
中的 TNF-α水平提高 [32]，引起了大脑中脂质的过
氧化 [44]，从而支持了细胞因子能将外周反应和大脑脂
质过氧化联系起来的观点，因此，脂质过氧化是动物
暴露在臭氧后的一个显著变化。然而，动物研究发
现，低的臭氧暴露不能导致系统炎症反应，说明臭氧
的浓度和持续时间可能决定了其影响的程度 [42]。
此外，臭氧还对脑脉管系统产生影响，如成年
大鼠暴露于臭氧后，大脑产生的细胞因子促进靠近
毛细管壁的星形胶质细胞中的 IL-6和 TNF-α的表
达 [45]。空气污染使抗氧化能力较弱的小鼠更易产生
神经退行性病变 [36]。此外，从缺乏 NADPH氧化酶
功能的小鼠中获得的神经元－胶质细胞对 DEP诱
导的神经毒性具有抵抗作用，意味着小胶质细胞产
生的 ROS对 DEP诱导的多巴胺能神经元毒性起着
关键作用。研究还发现钛纳米粒子通过产生 ROS
对小胶质细胞起反应 [39]，而过多的 ROS增加了有
机大分子的过氧化，进而促使产生氧化应激。
综上所述，神经炎症、神经毒性和氧化应激的
作用是密切相关的，它们的作用是可以叠加的，它
们相互作用的最终结果会导致神经退行性疾病。
3　小结
总而言之，空气污染是很复杂的环境有毒物混
合体。这些物质通过多种途径引起大脑的氧化应激、
神经炎症、神经元损伤、异常纤维蛋白的增加和血
脑屏障的改变，导致了神经退行性疾病，对人体产
生极大危害。随着工业和社会的发展，空气污染中
的污染物成分也会发生变化，有些污染物可能会产
生更多的危害。因此，控制空气污染是非常必要的，
同时空气污染对人体危害的机理研究将有助于防治
污染物所致疾病。
[参　考　文　献]
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