Helbredseffekter af trafikgenererede ultrafine partikler

I epidemiologiske undersøgelser finder man en sammenhæng mellem eksponering for partikulær luftforurening i byer og kardiopulmonær morbiditet og mortalitet. Nogle få nyere epidemiologiske undersøgelser peger på, at den ultrafine del af partiklerne, der især stammer fra motoriseret trafik, er særlig skadelig. Flere dyreforsøg og forsøg med cellekulturer underbygger denne hypotese med undersøgelse af virkningsmekanismerne. Indånding af partikler, især de ultrafine, medfører oxidativt stress og inflammation i lungevævet, hvilket ud over at påvirke lungecellerne kan føre til påvirkning af det kardiovaskulære system.

Mange års epidemiologiske undersøgelser har vist, at luftforurening kan øge kardiopulmonær mortalitet og morbiditet ved både korttids- og langtidseksponering (1). To store amerikanske prospektive kohorteundersøgelser har vist en klar sammenhæng mellem overdødelighed, der er forårsaget af kardiopulmonale sygdomme, og eksponering for luftforurening (2, 3). Øget morbiditet er bl.a. vist som anfald og medicinforbrug hos asthmapatienter, eksacerbation i kronisk obstruktiv lungesygdom og hospitalindlæggelser af kardiovaskulære årsager (4). Enkelte epidemiologiske studier peger på risikoen for lungekræft i forbindelse med udsættelse for trafikrelateret luftforurening (5, 6). Dieselemission er desuden klassificeret som værende kræftfremkaldende hos forsøgsdyr, og undersøgelser fra erhvervsmæssig eksponering tyder på, at dette også gælder for mennesker (7). Ny viden peger i retning af, at det er den fine og især den ultrafine del af luftens partikler, der forårsager de helbredsmæssige skadevirkninger. Nærværende oversigt fokuserer på viden om de ultrafine partikler.

Eksponering for partikler

Partikler inddeles efter aerodynamisk diameter i tre grupper: grove partikler (>2,5 μ m), fine partikler, PM2,5 (<2,5 μ m) og ultrafine partikler (<0,1 μ m) (Fig. 1 ). Partikler, som er mindre end 10 μ m, kan opsamles fra luften og måles som masse, der benævnes PM10 . Denne fraktion er den mest almindeligt målte og indgår i en lang række epidemiologiske undersøgelser.

Partiklerne kan efter deres oprindelse opdeles i primære og sekundære. Primære partikler udsendes direkte, hvorimod de sekundære dannes i atmosfæren, ved at atmosfæriske gasser deltager i fysik-kemiske processer bl.a. oxidative kemiske reaktioner samt nukleation og kondensation. De primære partikler stammer dels fra naturlige kilder, især ophvirvlet støv fra jorden og saltpartikler fra havet, dels fra menneskeskabte kilder, som forbrændingsprocesser bl.a. i motorer (8).

Indholdet af ultrafine partikler er domineret af organiske forbindelser og elementært kulstof (ca. 50%) (9). Derudover indeholder de sulfater, nitrater, ammonium, metaloxider og natriumklorid. Sammensætningen er afhængig af, hvor målingen er foretaget, om det er i nærheden af trafikerede veje, industri eller lignende. Antalsmæssigt udgør de en meget stor del, men deres masse er forsvindende lille (Fig. 1).

I en WHO-rapport fra 1999 om trafikrelateret luftforurening og helbredskonsekvenser blev det beregnet, at i Østrig, Frankrig og Schweiz udgjorde den trafikrelaterede del af PM10 fra 28% til 58% (10). En stor del heraf er ophvirvling af vejstøv, slid fra dæk, kørebaner, bremser, koblinger m.m., foruden sekundære partikler, der er dannet ud fra emitterede gasser. I engelske undersøgelser har man fundet, at 25% af PM10 stammer fra trafikemission, mens denne andel er langt større for de ultrafine partikler (60%) (11).

Ved målinger fra Jagtvej i København, hvor der er en begrænset tung trafik, er det beregnet, at ca. halvdelen af antallet af de ultrafine partikler stammer fra dieseltrafik, og et næsten lige så stort antal stammer fra benzintrafik. En meget begrænset del af de ultrafine partikler i gademiljøet kommer fra andre kilder, herunder med vinden fra andre lande (Fig. 2 ).

Deponering af partikler i lungerne

Deponeringen af inhalerede partikler i luftvejene afhænger af partiklernes størrelse, luftvejenes anatomi og vejrtrækningen (13). Grove partikler deponeres hovedsagelig i de øvre luftveje. Partikler under 10 μ m kan deponeres længere nede i bronkierne, hvor de fjernes af ciliernes bevægelser. Fine og ultrafine partikler kan nå helt ud i alveolerne (4), hvor der ikke er cilier, og de fjernes derfor af makrofager eller trænger ind i lungevævet. Fraktionen af ultrafine partikler, der deponeres i lungerne, øges med mindsket partikelstørrelse og med dybere, langvarige vejrtrækninger (14).

Epidemiologisk evidens for effekten af ultrafine partikler

Man har kun i få epidemiologiske studier undersøgt effekterne af ultrafine partikler, bl.a. korttidseffekter for asthmapatienter og daglig mortalitet i den samlede befolkning. Langtidseffekter af ultrafine partikler er endnu ikke undersøgt. I en undersøgelse fra Erfurt i det tidligere Østtyskland (vinteren 1991-1992) blev symptomer og peak expiratory flow (PEF) registreret hos 27 voksne patienter og sammenholdt med indholdet af ultrafine og fine partikler i luften (15). Der var en statistisk signifikant reduktion i PEF og øget selvrapporteret sygdom og hoste ved stigende koncentration af såvel ultrafine som fine partikler, hvorimod PM10 ikke var associeret med dårligere lungefunktion. Associationen var stærkest for de ultrafine partikler. Dette blev bekræftet i en finsk undersøgelse med 78 asthmapatienter og i endnu en undersøgelse fra Erfurt med 58 voksne asthmapatienter (16).

I modsætning hertil viste man i en finsk undersøgelse af 39 børn med asthma, at sammenhængen mellem fald i PEF og partikelkoncentrationen var statistisk signifikant for PM10 og sod, men ikke for ultrafine partikler (17). De modstridende resultater kan skyldes forskellige effekter af ultrafine partikler på forværring af asthma hos voksne og børn og/eller forskelle i kilderne til partikelforureningen.

I en tidsserieundersøgelse, der omfattede ultrafine partikler i Erfurt i 1995-1998, var daglig mortalitet som ventet associeret med partikulær luftforurening (16). Der var en tendens til, at effekter med op til et døgns latensti d var associerede med massekoncentrationen (PM10 ), hvor fine og grove partikler vægter mest, hvorimod effekter med flere døgns latenstid var associerede med antallet af partikler, hvor de ultrafine partikler vægter langt mest. Ligeledes var der en tendens til, at de umiddelbare effekter skyldtes respiratoriske sygdomme, mens de mere forsinkede effekter havde kardiovaskulære årsager. Disse tendenser var dog ikke statistisk signifikante.

Skademekanismer

Det er endnu ikke klarlagt, hvordan partikler i luften forårsager skade eller øger mortaliteten og morbiditeten af især pulmonære og kardiovaskulære sygdomme. Seaton et al fremsatte den hypotese, at ultrafine partikler forårsager alveolær inflammation, hvorved der frigives mediatorer, som bl.a. fremkalder akut respiratorisk sygdom hos følsomme individer (18). Det øgede antal dødsfald pga. kardiovaskulære sygdomme forklaredes ved aktivering af granulocytter og ændringer i blodkoagulabilitet via produktion af prokoagulationsfaktorer lokalt i lungerne eller i leveren som følge af mediatorer fra lungerne (Fig. 3 ).

For at belyse hypotesen blev 112 personer over 60 år fulgt i 18 mdr. med hæmatologiske variable (19). Der blev fundet en signifikant invers sammenhæng mellem eksponering for PM10 tre dage forud for blodprøvetagningen og hæmoglobinkoncentration, antal af erytrocytter, trombocytter og koagulationsfaktor VII. Nedgangen i hæmoglobinkoncentrationen blev forklaret ved sekvestrering af erytrocytter i kapillærerne forårsaget af øget ekspression af adhæsionsmolekyler, idet albuminkoncentrationen ikke faldt.

I en undersøgelse fra Sydtyskland vistes en tendens til høj blodviskositet under en luftforureningsperiode i 1985 efter korrektion for kardiovaskulære risikofaktorer (20). Plasmaviskositet var positivt associeret med første myokardieinfarkt og med koronar hjertesygdom. Under luftforureningsepisoden observeredes øget hjertefrekvens som tegn på påvirkning af det autonome nervesystem (21). Forhøjet hjertefrekvens blev også fundet relateret til eksponering for PM10 hos en gruppe (90) af ældre personer i Utah (22).

Lungeinflammation vist på mennesker

Femten unge frivillige forsøgspersoner blev eksponeret for luft med og uden dieseludstødning under moderat anstrengelse på cykelergometer (23). Dieseludstødning gav ingen ændring af lungefunktionsmål, men i bronkoskopisk taget biopsi og celler fra bronkoalveolær lavage fandtes inflammatorisk respons med et øget antal neutrofile granulocytter, mastceller og lymfocytter, foruden øget ekspression af adhæsionsmolekyler (fx ICAM-1) i endotelets submucosa og ligander på inflammatoriske celler. I det perifere blod var der også et inflammatorisk respons, bl.a. stigning i antallet af neutrofile granulocytter og trombocytter. En lignede undersøgelse, hvor 38 unge raske mennesker blev eksponeret for partikulær luftforurening (PM2,5 ) fra opkoncentreret byluft, viste øget influks af neutrofile granulocytter i lungerne (24).

En histopatologisk undersøgelse af langtidseffekten af luftforurening på lunger fra mennesker viste bronkiolær ødelæggelse. Der var signifikant forskel på inflammation, vægtykkelse og antrakose i lunger fra personer, der havde været bosat i områder med henholdsvis lav og høj luftforurening (25).

In vitro-studier af inflammatoriske effekter af ultrafine partikler

I forsøg med cellekulturer er den inflammatoriske effekt påvist, ved at bronkiale epitelceller ved udsættelse for dieselpartikler frigiver proinflammatoriske cytokiner og opregulerer ICAM-1, målt på mRNA- og proteinniveau (26). Lignende forsøg med dieseleksponering viste tillige nedsat ciliær aktivitet af epitelcellerne (27).

Oxidativt stress og sammensætningen af ultrafine partikler

Ultrafine partikler kan på grund af deres større relative overflade transportere mere toksisk materiale adsorberet til overfladen og interagere mere med luftvejsepitelet end større partikler. Det adsorberede materiale omfatter reaktive gasser, radikaler, metaller og organiske forbindelser (16).

Dannelse af reaktive iltforbindelser, fx hydroxylradikaler via overgangsmetaller, menes at være en vigtig virkningsmekanisme. Ved reaktion med dieselpartikler og PM10 , der var opsamlet fra byluft, blev plasmid-DNA oxideret med dannelse af strengbrud, der kunne forhindres ved tilsætning af metalkelatorer, som binder jern (28). Strengbrud på DNA menes at være et vigtigt element i karcinogenesen, der er initieret af partikler.

I bronkiale epitelcellelinjer fra mennesker inducerede dieselpartikler frisætning af GM-CSF og andre cytokiner (29). Tilsætning af radikal-scavengers, som fjerner reaktive iltradikaler, blokerede stigningen, mens metalkelatorer ikke havde nogen effekt. Reaktive iltradikaler kan dannes af inflammatoriske celler, fx neutrofile granulocytter og makrofager, ved et inflammatorisk repons. En overvægt af oxidanter i forhold til antioxidanter medvirker til patogenesen i mange inflammatoriske lungesygdomme (30).

Dyreeksperimentelle undersøgelser støtter, at oxidativt stress er involveret i ultrafine partiklers skademekanismer (31). Der fandtes en signifikant reduktion i niveauet af glutation (GSH) i lungerne hos rotter, der var eksponeret for ultrafine partikler (TiO2 ). Glutation er den vigtigste intracellulære antioxidant.

Dyreeksperimentelle sammenligninger af effekten af ultrafine og fine partikler

Ved sammenligning af effekten af samme massekoncentration af henholdsvis ultrafine og fine partikler (TiO2 og kulstof), der var installeret intratrakealt på rotter, og ved inhalationsforsøg er det vist, at de ultrafine partikler forårsager betydeligt større inflammatorisk respons, målt som influks af neutrofile granulocytter og protein i lungerne (32-34). De ultrafine partikler trængte i højere grad end de fine partikler ind i interstitiet og epitelcellerne og ind i lymfeknuderne. Det inflammatoriske respons var bedre korreleret med overfladearealet af partiklerne end med massen.

Akutte helbredseffekter, der er forårsaget af partikulær luftforurening, ses især hos ældre mennesker og hos patienter med luftvejssygdomme og hjerte-kar-sygdomme. Dette er belyst hos rotter, hvis lungefunktion var svækket af inhalation af E. coli -lipopolysakkarid (LPS) (35). Ultrafine partikler givet efter LPS gav et signifikant større respons end hver intervention for sig, modsat de fine partikler (34).

Konklusion

Den tilgængelige epidemiologisk og eksperimentelt baserede viden peger på, at den ultrafine fraktion af trafikrelaterede partikler bidrager væsentligt mere, end deres masse antyder, til helbredseffekter, inkl. forværring af luftvejssygdomme og hjertesygdomme, herunder risiko for død. Inflammation og dannelse af reaktive iltforbindelser synes at være væsentlige virkningsmekanismer for ultrafine partiklers helbredseffekter, hvor partikelsammensætningen, indholdet af metaller og overfladearealet er vigtige determinanter. Ligeledes er ændring af blodviskositeten og hjertefrekvensen sandsynligvis væsentlig.

Der er stort behov for viden, der knytter risikoen for relevante helbredsudfald i Danmark til eksponering for partikler i de enkelte fraktioner. Der bør gennemføres epidemiologiske undersøgelser, der belyser sammenhængen med forekomst og forværring af luftvejssygdomme, hjertesygdomme og lungekræft. Befolkningens eksponer ing for partikler i de enkelte fraktioner bør overvåges. Der er behov for flere eksperimentelle undersøgelser af effekter af partikler mht. størrelsesfordeling og kilder på alle niveauer fra in vitro-forsøg over dyreforsøg til kontrolleret eksponering af mennesker.

Steffen H. Loft, Afdeling for Miljø- og Arbejdsmedicin, Institut for Folkesundhedsvidenskab, Københavns Universitet, Blegdamsvej 3, DK-2200 København N. E-mail: s.loft@pubhealth.ku.dk

Antaget den 24. maj 2002.

Københavns Universitet, Afdeling for Miljø- og Arbejdsmedicin, Institut for Folkesundhedsvidenskab,

Danmarks Miljøundersøgelser, Afdeling for Atmosfærisk Miljø, og

Kræftens Bekæmpelse, Institut for Epidemiologisk Kræftforskning.

Forfatterne modtager støtte til forskning på området fra Det Strategiske Miljøforskningsprogram og Sundhedsministeriets Miljømedicinske Forskningscenter.

1. Pope CA 3rd, Dockery DW. Epidemiology of particle effects. I: Holgate ST, Samet JM, Koren HS, Maynard RL, eds. Air pollution and health. London: Academic Press, 1999: 673-705.
2. Dockery DW, Pope CA 3rd, Xu X, Spengler JD, Ware JH, Fay ME et al. An association between air pollution and mortality in six U.S. cities. N Engl J Med 1993; 329: 1753-9.
3. Pope CA 3rd, Thun MJ, Namboodiri MM, Dockery DW, Evans JS, Speizer FE et al. Particulate air pollution as a predictor of mortality in a prospective study of U.S. adults. Am J Respir Crit Care Med 1995; 151: 669-74.
4. Donaldson K, Stone V, Clouter A, Renwick L, MacNee W. Ultrafine particles. Occup Environ Med 2001; 58: 211-6.
5. Beeson WL, Abbey DE, Knutsen SF. Long-term concentrations of ambient air pollutants and incident lung cancer in California adults: results from the AHSMOG study. Adventist Health Study on Smog. Environ Health Perspect 1998; 106: 813-23.
6. Nyberg F, Gustavsson P, Jarup L, Bellander T, Berglind N, Jakobsson R et al. Urban air pollution and lung cancer in Stockholm. Epidemiology 2000; 11: 487-95.
7. Koppikar A, Pepelko W. Carcinogenicity of diesel exhaust. I: Vu V, Konoza T, Theisen J, eds. Health assessment document for diesel exhaust. U.S. Washington: Environmental Protection Agency, 2000: 1-158.
8. Pooley FD, Mille M. Composition of air pollution particles. I: Holgate ST, Samet JM, Koren HS, Maynard RL, eds. Air pollution and health. London: Academic Press, 1999: 619-34.
9. Cass GR, Hughes LA, Bhave P, Kleeman MJ, Allen JO, Salmon LG. The chemical composition of atmospheric ultrafine particles. Phil Trans R Soc Lond A 2000; 358: 2581-92.
10. Kunzli N, Kaiser R, Medina S, Studnicka M, Chanel O, Filliger P et al. Public-health impact of outdoor and traffic-related air pollution: a European assessment. Lancet 2000; 356: 795-801.
11. Harrison RM, Shi JP, Xi S, Khan A, Mark D, Kinnersley R et al. Measurement of number, mass and size distribution of particles in the atmosphere. Phil Trans R Soc Lond A 2000; 358: 2567-80.
12. Wåhlin P, Palmgren F, van Dingenen R. Experimental studies of ultrafine particles in streets and the relationship to traffic. Atmos Environ 2001; 35 (suppl. 1): 63-9.
13. Sarangapani R, Wexler AS. The role of dispersion in particle deposition in human airways. Toxicol Sci 2000; 54: 229-36.
14. Jaques PA, Kim CS. Measurement of total lung deposition of inhaled ultrafine particles in healthy men and women. Inhal Toxicol 2000; 12: 715-31.
15. Peters A, Wichmann HE, Tuch T, Heinrich J, Heyder J. Respiratory effects are associated with the number of ultrafine particles. Am J Respir Crit Care Med 1997; 155: 1376-83.
16. Wichmann HE, Peters A. Epidemiological evidence of the effects of ultrafine particle exposure. Phil Trans R Soc Lond A 2000; 358: 2751-69.
17. Pekkanen J, Timonen KL, Ruuskanen J, Reponen A, Mirme A. Effects of ultrafine and fine particles in urban air on peak expiratory flow among children with asthmatic symptoms. Environ Res 1997; 74: 24-33.
18. Seaton A, MacNee W, Donaldson K, Godden D. Particulate air pollution and acute health effects. Lancet 1995; 345: 176-8.
19. Seaton A, Soutar A, Crawford V, Elton R, McNerlan S, Cherrie J et al. Particulate air pollution and the blood. Thorax 1999; 54: 1027-32.
20. Peters A, Doring A, Wichmann HE, Koenig W. Increased plasma viscosity during an air pollution episode: a link to mortality? Lancet 1997; 349: 1582-7.
21. Peters A, Perz S, Doring A, Stieber J, Koenig W, Wichmann HE. Increases in heart rate during an air pollution episode. Am J Epidemiol 1999; 150: 1094-8.
22. Pope CA 3rd, Dockery DW, Kanner RE, Villegas M, Schwartz J. Oxygen saturation, pulse rate, and particulate air pollution. Am J Respir Crit Care Med 1999; 159: 365-72.
23. Salvi S, Blomberg A, Rudell B, Kelly F, Sandstrom T, Holgate ST et al. Acute inflammatory responses in the airways and peripheral blood after short-term exposure to diesel exhaust in healthy human volunteers. Am J Respir Crit Care Med 1999; 159: 702-9.
24. Ghio AJ, Kim C, Devlin RB. Concentrated ambient air particles induce mild pulmonary inflammation in healthy human volunteers. Am J Respir Crit Care Med 2000; 162: 981-8.
25. Souza MB, Saldiva PH, Pope CA 3rd, Capelozzi VL. Respiratory changes due to long-term exposure to urban levels of air pollution: a histopathologic study in humans. Chest 1998; 113: 1312-8.
26. Takizawa H, Ohtoshi T, Kawasaki S, Abe S, Sugawara I, Nakahara K et al. Diesel exhaust particles activate human bronchial epithelial cells to express inflammatory mediators in the airways. Respirology 2000; 5: 197-203.
27. Bayram H, Devalia JL, Sapsford RJ, Ohtoshi T, Miyabara Y, Sagai M et al. The effect of diesel exhaust particles on cell function and release of inflammatory mediators from human bronchial epithelial cells in vitro. Am J Respir Cell Mol Biol 1998; 18: 441-8.
28. Gilmour PS, Brown DM, Lindsay TG, Beswick PH, MacNee W, Donaldson K. Adverse health effects of PM10 particles: involvement of iron in generation of hydroxyl radical. Occup Environ Med 1996; 53: 817-22.
29. Boland S, Bonvallot V, Fournier T, Baeza-Squiban A, Aubier M, Marano F. Mechanisms of GM-CSF increase by diesel exhaust particles in human airway epithelial cells. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 2000; 278: L25-32.
30. Rahman I, MacNee W. Oxidative stress and regulation of glutathione in lung inflammation. Eur Respir J 2000; 16: 534-54.
31. Donaldson K, Li XY, MacNee W. Ultrafine (nanometre) particle mediated lung injury. J Aerosol Sci 1998; 29: 553-60.
32. Ferin J, Oberdorster G, Penney DP. Pulmonary retention of ultrafine and fine particles in rats. Am J Respir Cell Mol Biol 1992; 6: 535-42.
33. Oberdorster G, Ferin J, Gelein R, Soderholm SC, Finkelstein J. Role of the alveolar macrophage in lung injury: studies with ultrafine particles. Environ Health Per