Efectos y patogénesis de PM2.5 y sus componentes en la enfermedad pulmonar obstructiva crónica

Qi Wang, Sha Liu

Departamento de Medicina Pulmonar y de Cuidados Críticos, Segundo Hospital Afiliado, Facultad de Medicina de Hengyang, Universidad del Sur de China, Hengyang, Hunan, República Popular de China

Correspondencia: Sha Liu, Department of Pulmonary and Critical Care Medicine, The Second Affiliated Hospital, Hengyang Medical School, University of South China, 35 Jiefang Avenue, Zhengxiang District, Hengyang, Hunan, 421001, República Popular de China, Correo electrónico [email protected]

Abstracto: La enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC), una enfermedad heterogénea, es la principal causa de muerte en todo el mundo. En los últimos años, la contaminación del aire, especialmente el material particulado (PM), ha sido ampliamente estudiado como un factor que contribuye a la EPOC. Como componente esencial de las PM, las PM2.5 se asocian con la prevalencia, la morbilidad y las exacerbaciones agudas de la EPOC. Sin embargo, los mecanismos patogénicos específicos aún no están claros y merecen más investigación. La diversidad y complejidad de los componentes de PM2.5 dificultan obtener sus efectos y mecanismos precisos para la EPOC. Se ha determinado que los componentes de PM2.5 más tóxicos son los metales, los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH), las partículas carbonosas (CP) y otros compuestos orgánicos. La liberación de citoquinas inducida por PM2.5 y el estrés oxidativo son los principales mecanismos informados que conducen a la EPOC. De manera no despreciable, el microorganismo en PM 2.5 puede causar directamente inflamación mononuclear o romper el equilibrio del microorganismo contribuyendo al desarrollo y exacerbación de la EPOC. Esta revisión se centra en la fisiopatología y las consecuencias de las PM2.5 y sus componentes en la EPOC.
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Palabras clave: material particulado 2.5, enfermedad pulmonar obstructiva crónica, estrés oxidativo, inflamación, metilación del ADN, microorganismos

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Introducción

Las consecuencias perjudiciales de la contaminación del aire en la salud humana han sido durante mucho tiempo una preocupación por el impacto del desarrollo industrial en la salud pública mundial. Según la Organización Mundial de la Salud, aproximadamente 7 millones de personas mueren anualmente a causa de la contaminación del aire.1 Alrededor de 9 millones de muertes prematuras en 2015 se atribuyeron a enfermedades asociadas a la contaminación.2 Los contaminantes significativos incluyen material particulado (PM), compuestos de carbono, ozono, compuestos de nitrógeno y compuestos de azufre.3 El principal factor ambiental que influye en la carga de morbilidad en todo el mundo es la exposición a las PM2,5 ambientales (partículas con un diámetro aerodinámico inferior a 2,5 μm).4,5 Los impactos de las partículas ambientales en la mortalidad y los años de vida ajustados por discapacidad (AVAD) en China se encontraban entre los cuatro factores de riesgo principales.6

Los estudios in vitro han indicado que la exposición a PM seguro puede aumentar la susceptibilidad de las células pulmonares,7 que podría causar daño a los pulmones, la tráquea o los bronquios.8 La vía de exposición y la capacidad de depósito alveolar de las PM varían según su tamaño, y la fracción gruesa (PM10 μm −2,5 μm) tiene la capacidad de ingresar a los bronquios superiores. Por el contrario, la fracción fina (PM≤2,5 μm) puede acceder directamente al área de intercambio de gases del sistema respiratorio y depositarse en las vías respiratorias y el tejido pulmonar, lo que provoca una respuesta inflamatoria inmunológica anómala y una función de las células epiteliales deteriorada.9,10 Además, la exposición a PM2.5 en las primeras etapas del crecimiento y desarrollo pulmonar provocará daños permanentes e irreversibles.11 A través de la barrera sangre-aire y el sistema circulatorio, las partículas ultrafinas (PM≤1μm) pueden acumularse en varios órganos del cuerpo, causando una variedad de problemas de salud.12,13 Por lo tanto, es fundamental reconocer los efectos de la contaminación del aire sobre el sistema respiratorio.

En 2017, las enfermedades respiratorias crónicas ocuparon el tercer lugar entre las causas de muerte. La EPOC representó la mayoría de las muertes y AVAD atribuibles a enfermedades respiratorias crónicas.14 Las estimaciones de la carga de la EPOC en China para 2019 revelaron que la EPOC sigue siendo un importante problema de salud pública en China.15 La EPOC es una enfermedad diversa que causa inflamación persistente, daño alveolar y obstrucción irreversible de las vías respiratorias. Durante mucho tiempo se ha creído que el humo del cigarrillo (CS) es el principal factor que contribuye a la aparición de la EPOC.dieciséis Sin embargo, cada vez hay más pruebas de que los no fumadores desarrollan EPOC a un ritmo mayor. Según estimaciones, entre el 25 y el 45 % de los pacientes con EPOC no fuman.17,18 Los estudios han señalado que las PM2.5 pueden desencadenar la EPOC y reducir la función pulmonar.19 Los investigadores están interesados ​​en descubrir si estos pacientes con EPOC que no fuman se ven afectados por la contaminación por PM2.5. Por lo tanto, es necesario determinar el mecanismo preciso a través del cual se produce la manifestación de la EPOC causada por PM2.5.

Dado que esta revisión tiene como objetivo proporcionar la base para la prevención y el tratamiento de la EPOC, explorará la relación entre los componentes de PM2.5 y la EPOC, así como las PM2.5 en el desarrollo, las exacerbaciones y la patogenia de la EPOC.

Efectos de las PM2.5 en la EPOC: evidencia epidemiológica

PM2.5 es un alto riesgo de EPOC.20 Estudios epidemiológicos recientes han revelado que las PM2.5 aumentan la incidencia y la prevalencia de la EPOC durante la exposición a largo plazo.21,22 Las concentraciones ambientales de PM2.5 se correlacionaron fuertemente con una función pulmonar más baja y un aumento del enfisema, incluso en concentraciones relativamente bajas.23,24 La investigación encontró que un aumento en PM2.5 (2.4μg/m3) se asoció con una caída del FEV1 de 101,7 ml,25 que ayudó en la progresión de la EPOC.

La investigación epidemiológica reveló un vínculo entre la contaminación atmosférica y la exacerbación de la EPOC.26 La contaminación del aire se correlacionó significativamente con la tasa de hospitalización por EPOC.27 Lo que es digno de mención es que entre los pacientes de COVID-19 con EPOC, las tasas de hospitalización fueron más significativas cuando se expusieron a PM2.5.28 Numerosos estudios han descubierto una conexión entre las concentraciones de PM2.5 y los episodios de AECOPD.29,30 Según un metaanálisis, cada 10 μg/m3 aumento de PM2.5, la probabilidad de visitas a la sala de urgencias y de ingresos hospitalarios relacionados con la EPOC aumentó entre un 1,4% y un 2,5%.31 Una mayor exposición a PM hace que las personas con enfermedad pulmonar obstructiva crónica tengan una peor función pulmonar,32,33 menor FEV1 y saturación de oxígeno, enfisema más severo,34 presión arterial más alta y mortalidad cardiovascular.35,36 Además, los pacientes con EPOC son más vulnerables a la inflamación pulmonar tras la exposición a PM2.5, especialmente aquellos con una función pulmonar más deficiente.19,37,38 Estos podrían ser los culpables del deterioro de la enfermedad.

Los efectos adversos del material particulado pueden afectar más severamente a los ancianos.39 A pesar de las recientes mejoras en la calidad general del aire, la carga de morbilidad por la contaminación del aire sigue siendo relativamente alta a medida que se acelera el proceso de envejecimiento. La segunda razón más frecuente que contribuyó a las tasas de AVAD para la EPOC seguía siendo el material particulado.40 Se cree que la contaminación del aire es un factor que contribuye a aproximadamente 1,6 millones de muertes por EPOC.41 Especialmente en una región con un índice sociodemográfico bajo, el material particulado fue la principal causa de muerte por EPOC.42 Especialmente las partículas <0,5 μm de diámetro podrían ser responsables de los efectos adversos de la contaminación del aire por partículas en la mortalidad por EPOC.43

Además, un estudio indica que el riesgo de adquirir EPOC se redujo en un 12% por cada 5 µg/m3 disminución de PM2.5.44 Un estudio diferente también apoya esta afirmación. Muestra que, en comparación con las cifras estimadas basadas en las tendencias naturales de exposición a PM2.5, se podrían evitar 0,27 millones de muertes si la concentración global de material particulado alcanza sus objetivos de control para 2030. La mortalidad temprana se reduciría a 0,52 %.45 lo que sugiere que las intervenciones para disminuir la exposición de los pacientes a PM2.5 pueden beneficiar a las personas con EPOC.

La evidencia epidemiológica antes mencionada en conjunto sugiere fuertemente que la exposición a PM2.5 está significativamente relacionada con la aparición, muerte y progresión de la EPOC. La reducción de la contaminación del aire puede ser una estrategia eficaz para reducir las posibilidades de desarrollar EPOC.

Componentes PM2.5 y EPOC

Las características fisicoquímicas (tamaño, solubilidad en agua y composición química) de las PM afectan su mecanismo. La investigación muestra que las partículas de niebla de aceite en el aire (OMPM) de 1,0 a 10 μm indujeron estrés oxidativo y aumentaron la producción de citoquinas proinflamatorias. Sin embargo, solo OMPM <1,0 indujo la interrupción de la barrera epitelial pulmonar.46 Por lo tanto, la magnitud de PM debe ser considerada al analizar sus efectos adversos. No entraremos en muchos detalles sobre esto en este artículo. Nos concentramos en los mecanismos de los diversos componentes de PM2.5.

PM2.5 se puede clasificar en extractos acuosos y orgánicos, según su solubilidad. Curiosamente, las variaciones en los efectos respiratorios e inmunológicos también pueden atribuirse a las diferencias en los componentes de PM2.5. Un estudio de Japón encontró que los extractos orgánicos de PM2.5 generaban IL-6 en lugar de extractos acuosos, lo que promovía la inflamación. Además, en comparación con los extractos de la región urbana, los del sector industrial parecían tener efectos más potentes.47 Un estudio brasileño encontró que los extractos acuosos de PM2.5 redujeron la liberación de IL-6 e IL-8.48 Este fenómeno podría deberse a que los extractos solubles en agua del estudio de muestras de PM2.5 tenían componentes metálicos y constituyentes orgánicos polares. Todavía se desconoce cómo los componentes específicos de PM2.5 contribuyen a la disminución de las citoquinas. Según un estudio similar, los extractos solubles en agua ricos en metales afectan el metabolismo y el sistema respiratorio.49 En general, los extractos solubles en agua contribuyen significativamente al daño oxidativo del ADN y la peroxidación de la membrana plasmática, mientras que los extractos orgánicos están relacionados principalmente con la genotoxicidad y la mutagenicidad.50,51 Además, la toxicidad celular de los extractos orgánicos y solubles en agua PM2.5 no se demostró consistentemente.52,53 Por lo tanto, se requiere más investigación para comprender completamente los mecanismos y efectos inmediatos de los diversos componentes de PM2.5.

Componentes significativos de PM2.5, como compuestos orgánicos (carbono orgánico, hidrocarburos aromáticos policíclicos y benceno), compuestos inorgánicos (sulfato, nitrato, amoníaco, cuarzo, sílice, óxidos minerales) y componentes biológicos (bacterias, hongos y virus). ), son típicamente similares. Sin embargo, las proporciones de los diversos componentes varían mucho dependiendo de las fuentes y emisiones locales.54 La composición, concentración y área de superficie específica de PM influyen en sus efectos fisiopatológicos.55–57 Se ha determinado que los componentes de PM más tóxicos son los metales, los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP), las partículas carbonosas (CP) y otros compuestos orgánicos, los cuales presentan diferente toxicidad para la salud humana.58

Rieles

Curiosamente, la diferente composición metálica de PM2.5 afecta a diferentes órganos. Por ejemplo, As o Cr generalmente dañan los pulmones. Sin embargo, Pb2+ Afecta predominantemente a los riñones.59 La investigación informó que varios componentes metálicos en PM2.5 estaban directamente relacionados con LVEF, FEV1, FVC y PEF más bajos.60 Algunos metales redox activos (As, Zn y Fe) en ellos juegan un papel que puede promover la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) y, por lo tanto, disminuir la actividad de las enzimas antioxidantes, lo que hace que las células experimenten estrés oxidativo.61,62 Según la solubilidad biológica de los metales, se pueden dividir en metales insolubles en agua y solubles en agua. Zhao et al encontraron que los metales insolubles en agua de PM2.5 inhiben Nrf2, reduciendo así la capacidad antioxidante del cuerpo, lo que resulta en una oxidación pulmonar excesiva.63 Otra investigación sobre metales solubles presentes en PM2.5 reveló que podrían activar tanto los sistemas prooxidativos como antioxidantes en estas células pulmonares.64 En conclusión, los metales en PM2.5 pueden causar un desequilibrio entre los efectos oxidativos y antioxidantes en el cuerpo, lo que provoca daño pulmonar.

Hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP)

Las superficies de carbono de las partículas pueden absorber compuestos orgánicos nocivos. Los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) son los principales compuestos orgánicos de PM2.5. Para los pacientes de edad avanzada con EPOC, la exposición a PM2.5 rico en HAP podría afectar las funciones de las vías respiratorias pequeñas.sesenta y cinco El FEV1/FVC también disminuye por la exposición a PM2.5 enriquecido con PAH.66 Sin embargo, el mecanismo exacto es…

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