空气污染每年导致 7 百万死亡病例。颗粒物（PM）是空气污染的关键成分，≤2.5 μm 的小颗粒（PM2.5）可进入肺部深部，和包括肺癌在内的多种不良健康事件相关。近日，Nature 发表重要研究，证实 PM2.5 和 EGFR 突变肺癌的发生显著相关，并阐明 PM2.5 的致病机制。
不吸烟肺癌（LCINS）和吸烟者的肺癌具有截然不同的临床和分子特征。LCINS 常为 EGFR 突变腺癌，更常见于女性及东亚患者。既往认为致癌原通过直接诱导 DNA 损伤导致肿瘤，然而 LCINS 的肿瘤基因组特征未能发现外源性致癌突变信号。
因此研究者提出假说，认为空气污染可能促进肺组织微环境炎症改变，导致已突变克隆扩增。这一假说和癌症起始及发展的双阶段致癌模型一致。
EGFR 驱动肺癌和 PM2.5 暴露水平相关，3 年空气污染暴露足以导致相关性显现
为明确空气污染是否可在不诱导外源性突变特征的基础上促进肺癌形成，研究聚焦于 EGFR 驱动肺癌。这是由于 EGFR 突变肺癌在 LCINS 的发生率高，且突变负荷低。
为探索空气污染和 EGFR 驱动肺癌发生率的关系，研究进行生态相关分析。纳入英国、韩国和台湾等 3 个国家和地区数据探索不同 PM2.5 空气污染范围和 EGFR 驱动肺癌发生率情况，结果显示每个地区的 PM2.5 水平和 EGFR 驱动肺癌发生率均具有一致的相关性。
在英国，PM2.5 水平每增加 1 μg m-3，EGFR 驱动肺癌发生率的相对比率是 0.63（P = 0.0028），韩国是 0.71（P = 0.0091），台湾是 1.82（P = 4.01×10-6）。
图 1 肺癌和空气污染相关性（a）英国，（b）韩国，（c）台湾
分析 228 例加拿大不列颠哥伦比亚 LCINS 女性患者，根据出生后至现居住地计算每个个体的 PM2.5 累积暴露量，发现 3 年高度空气污染暴露后，EGFR 驱动肺癌病例发生率显著升高（73% vs 40%，P = 0.03），证实 3 年高 PM2.5 暴露足以导致 EGFR 驱动肺癌发生率升高。
将 UK Biobank 中 407,509 例参与者数据作为独立队列进行分析，证实 PM2.5 水平和肺癌发生率相关（HR 1.08，P≤0.001）。相反，肺癌发生率和室外氡水平并不相关（HR 0.96，P = 0.262）。同时相互作用检验表明吸烟和高 PM2.5 水平对于肺癌风险具有相加作用。
PM 通过巨噬细胞浸润介导肺癌发展
在小鼠肺脏中诱导 EGFRL858R 表达（ET 鼠），诱导后小鼠暴露于生理相关剂量下的 PM 或 PBS 3 周。表达 EGFR 的肺上皮细胞扩增，在 10 周内形成前侵袭性肿瘤。分析显示 PM 可剂量依赖性增加前侵袭性肿瘤数量。
图 2 暴露于 PBS 和 PM 的 EGFRL858R 阳性肿瘤
当 EGFRL858R 诱导限于肺泡Ⅱ型细胞（AT2）时，PM 也增加前侵袭性肿瘤细胞数量。诱导 EGFRL858R 突变前暴露于 PM 也可导致早期肿瘤的数量增加，表明基因诱导前后的 PM 暴露均可以促进肿瘤生成。
同时，PM 暴露可以增加更具侵袭性的强力霉素诱导 LUAD EGFRL858R 模型的腺癌数量，在KRASG12D LUAD 模型中也增加增生数量，表明不论是 KRAS 还是 EGFR 突变 LUAD 中，PM 均可诱导肿瘤生存。
使用 ET 鼠肿瘤生成克隆的动态空间分析探索 PM 促进 EGFR 驱动肺癌发生机制，显示 EGFR 突变细胞扩增并非发生于 PM 暴露期，而是在 PM 停止后时期表现出来。PM 暴露后 10 周，扩增集落中 EGFRL858R 细胞比例及集落中细胞数量均增加。因此，PM 可通过 2 种方式促进肿瘤生成：增加 EGFR 突变细胞数量，或在早期病变中增加 EGFR 突变细胞增殖率。
研究同时发现短期暴露于 PM 并不诱导 DNA 诱变。同时发现免疫系统的完整性是 PM 增强 EGFR 驱动肺肿瘤生成的必要因素，免疫缺陷小鼠中 EGFRL858R 诱导后暴露于 PM 并不导致肿瘤增加。
在暴露于 PM 的免疫完整小鼠（对照）和携带 EGFR 突变小鼠（ET 鼠）中观察 PM 的急性髓系反应，发现 ET 鼠肺的泛巨噬细胞标志物 CD68 增加，证实 PM 暴露后具有更高的巨噬细胞密度。这些巨噬细胞均为 CD11b+CD68+间质巨噬细胞。数据支持一过性 PM 暴露后肺巨噬细胞浸润增加假说。
PM 介导 AT2 细胞重编程
研究进一步探索 PM 暴露对早期肿瘤生成的效应，发现 EGFR 突变上皮的 IL-6-JAK-STAT 通路，炎症反应和移植物排异通路仅在 PM 暴露后上调。ET 鼠中，PM 暴露导致巨噬细胞招募基因上调，包括编码 IL-1β，GM-CSF，CCL6 和 NF-κB 及 IL-33 的基因。
AT2 细胞可能是肺腺癌的来源细胞，博来霉素肺损伤模型发现角蛋白 8 阳性（KRT8+）亚组细胞是介导炎症信号驱动肺泡再生的前驱细胞。这些数据共同表明 PM 可促进 EGFRL858R AT2 细胞的肿瘤生成。
研究还观察到 AT2 祖细胞状态相关基因上调。AT2 活化祖细胞评分仅在暴露于 PM 的 ET 鼠中增加，表明 PM 暴露后，EGFRL858R AT2 细胞转录重编程，达到这种祖细胞状态。
提取 PM 暴露后 ET 鼠的肺上皮细胞，行类器官形成分析，发现 EGFR 野生型细胞暴露于 PM 后未显示出类器官形成效率（OFE）增加，而重组 EGFRL858R 细胞显示出 OFE 增加。
图 3 暴露于 PM 后的类器官 OFE 增加
PM 暴露 AT2 类器官为 KRT8+和 SPC+，和 AT2 祖细胞状态一致。数据表明联合体内 PM 暴露和诱导 EGFRL858R 驱动突变增加 AT2 细胞祖细胞功能，这种表型在单纯 PM 暴露或 EGFRL858R 表达细胞中未观察到。
PM 诱导巨噬细胞产生 EGFR 突变腺癌关键信号 IL-1β
肺巨噬细胞暴露于 PM 时释放的炎性细胞因子可能对于促进肿瘤具有重要作用。从未暴露于 PM 的 ET 鼠中分离 AT2 细胞，离体诱导 EGFRL858R 表达，和体内暴露于 PM 或 PBS 的巨噬细胞共培养，发现 PM 暴露间质巨噬细胞和肺泡巨噬细胞增加 EGFR 突变 AT2 细胞 OFE，表明 PM 诱导炎症的关键介质来自于巨噬细胞。
之前报道显示来自于肺巨噬细胞的 IL-1β 为博来霉素损伤后形成 KRT8+AT2 祖细胞所必需。因此，推测 IL-1β 可能是肿瘤发展的重要分子调节物。IL-1β 在 PM 处理肺中上调，主要出现于 CD68+巨噬细胞。此外，EGFR 突变 AT2 细胞体外接受 IL-1β 处理可导致更大的 KRT8+SPC+类器官。
为检验 IL-1β 在 PM 诱导腺癌形成中的必要性，在强力霉素诱导 EGFRL858R 模型中表达癌基因并将小鼠暴露于 PM，同时使用抗 IL-1β 或对照抗体处理。在 PM 暴露期间接受抗 IL-1β 抗体足以减弱 EGFR 驱动 LUAD 形成。
图 4 IL-1β 抗体可减少 PM 暴露诱导 EGFR 突变肺癌生成
这些数据确定 PM 暴露巨噬细胞可在 EGFR 突变 AT2 细胞中诱导祖细胞样状态，巨噬细胞是 PM 反应后 IL-1β 的关键来源，IL-1β 信号通路是促进 PM 介导 EGFR 驱动 LUAD 所必需。
健康肺中同样存在癌基因突变
研究选择肺癌患者的非癌肺组织进行检测，发现 EGFR 等癌基因驱动突变可存在于正常肺组织。EGFR 或 KRAS 等突变和吸烟状态没有相关性，而年龄和突变值具有显著相关性。
图 5 随着年龄增长，驱动突变数量增加
小结
研究发现 EGFR 突变肺癌发生率和 PM2.5 水平增加之间存在相关性。时间分析显示 3 年 PM2.5 暴露足够增加 EGFR 驱动肺癌发生风险。
PM 通过巨噬细胞释放的 IL-1β 诱导 EGFR 突变 AT2 细胞转变为祖细胞状态，促进肺癌发展，而靶向 IL-1β 的抗体可降低肺癌发生率。
研究证实癌症发展的关键促进因素不只是获得基因突变，也在于内源性和外源性机制的平衡。空气污染和肺癌之间具有明确相关性，研究为限制城市颗粒物释放的公共众健康政策提供了依据。
参考文献
Hill W, et al. Lung adenocarcinoma promotion by air pollutants. Nature. 2023;616(7955):159-167.