23/06/2022
🫧🌫ปฎิสัมพันธ์ของมลพิษทางอากาศและโรคติดเชื้อทางหายใจ🫁🗣
(Interaction of air pollution and respiratory infections)
รศ. นพ. ธีระศักดิ์ แก้วอมตวงศ์
.
#บทนำ (Introduction)
มลพิษทางอากาศมีผลกระทบของต่อสุขภาพถือเป็นปัญหาทางสาธารณสุขทั่วโลกที่ได้รับความตระหนักในปัจจุบัน เป็นที่ทราบดีว่า มลพิษทางอากาศก็ให้เกิดผลกระทบต่อประชากรโลกในทุกด้าน โดยเฉพาะระบบหัวใจและหลอดเลือด และระบบทางเดินหายใจ พบว่าผลกระทบทางด้านสุขภาพของประชากรจากมลพิษทางอากาศในภูมิภาคต่างๆ ทั่วโลกแตกต่างกันไปทั้งในแง่ลักษณะและความรุนแรง นอกจากนิ้การติดเชื้อทางอากาศส่งผลกระทบต่อความเสี่ยงในการติดเชื้อในทางเดินหายใจที่พบมากขึ้น นอกจากนี้ผลกระทบในผู้ป่วยแต่ละกลุ่มวัยก็มีความแตกต่างกัน โดยเฉพาะในผู้ป่วยเด็กเล็กและผู้ป่วยสูงอายุ การติดเชื้อทางเดินหายใจพบได้มากในผู้ป่วยทั้งสองกลุ่มอายุ ประชากรทั้งสองกลุ่มจัดเป็นกลุ่มเสี่ยงต่อการติดเชื้อทางเดินหายใจจากการสัมผัสมลพิษทางอากาศทั้งระยะสั้นและระยะยาว สำหรับการติดเชื้อทางเดินหายใจเกิดจากไวรัสเป็นส่วนใหญ่ โดยเฉพาะในผู้ป่วยเด็ก สำหรับการติดเชื้อแบคทีเรียพบได้ในผู้ป่วยที่มีปัจจัยเสียง เช่นโรคประจำตัว หรือการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของระบบทางเดินหายใจเช่นผู้ป่วยปอดอุดกั้นเรื้อรัง การพัฒนาการ เปลี่ยนแปลงโครงสร้าง สรีรวิทยา ของทางเดินหายใจส่งผลกระทบต่อความเสี่ยงในการติดเชื้อทางเดินหายใจ บทความนี้กล่าวถึงประวัติศาสตร์ของมลพิษทางอากาศ ที่มาและชนิดทางอากาศ การจำแนกคุณภาพของอากาศ ฝุ่นมลพิษขนาดเล็ก หรือ particulate matter (PM) ทั้งขนาด 2.5 และ 10 ไมครอน ผลกระทบของมลพิษต่อระบบการทำงานของร่างกาย ในประชากรทั้วไปรวมทั้งผู้ป่วยกลุ่เสี่ยง และผลของมลพิษทางอากาศต่อความเสี่ยงในการติดเชื้อทางเดินหายใจและผลกระทบต่ออายุขัยของประชากรโลกในภาพรวม บทความมลพิษทางอากาศต่อปัญหาสุขภาพและผลต่อการติดเชื้อในทางเดินหายใจ ดังต่อไปนี้ได้แก่
• ประวัติศาสตร์ของมลพิษทางอากาศ
• แหล่งกำเนิดและชนิดของมลพิษทางอากาศ
• ฝุ่นมลพิษขนาดเล็ก particulate matter 2.5 และคุณภาพอากาศ
• ผลกระทบของมลพิษทางอากาศต่อสุขภาพ
• ผลของมลพิษทางอากาศต่อความเสี่ยงในการติดเชื้อทางเดินหายใจ
.
#ประวัติศาสตร์ของมลพิษทางอากาศ (historical perspectives of air pollution)
มลพิษทางอากาศถือเป็นปัญหาที่มีผลกระทบต่อสุขภาพมนุษย์ ในประวัติศาสตร์ได้บันทึกไว้ตั้งแต่สมัยก่อนคริสตกาล ในสมัยของ Hippocrates ได้มีการกล่าวถึงในหนังสือชื่อ Airs, waters and places เมื่อราว 400 ปีก่อนคริสตกาล รวมทั้งในสมัยอาณาจักรโรมันได้มีการกล่าวถึงผลกระทบของมลพิษทางอากาศในบันทึกที่ชื่อว่า Seneca and Frontinus ที่บันทึกผลผกระทบของควันต่อสุขภาพ ต่อมาได้มีการกล่าวถึงผลกระทบต่อสุขภาพของมนุษย์จากทั่วโลก และมีการบันทึกในระวัติศาสตร์ของอาหรับในตะวันออกกลางและจีนในราชวงค์ซ่ง เกี่ยวกับผลของมลพิษทางอากาศจากการเผาถ่านหินและผลกระทบต่อสุขภาพของประชาชน
รายงานถึงผลกระทบของมลพิษที่มีความสำคัญมากของยุโรปคือ John Evelyn ที่ได้ตีพิมพ์ ในปี ค ศ 1661 ในหนังสือเรื่อง Fumifugium หรือ The Inconvenience of the Aer and Smoak of London กล่าวถึงที่มาของมลพิษทางอากาศในกรุงลอนดอนว่าเกิดจากอุตสาหกรรมการกลั่น และการเผาปูนขาวในเขตลอนดอน และพบว่าสัมพันธ์กับอัตราการเสียชีวิตของประชากรในช่วงที่มีหมอกควันในลอนดอนมากขึ้น (fog episode) ดังรูปวาดสีน้ำมันของ Claude Monet จากมุมมองของศิลปิน ในช่วงทศวรรษ 1800 ประชากรในประเทศอังกฤษและเวลส์ ได้เพิ่มจำนวนสูงกว่า 16 ล้านคน เกิดการปล่อยมลพิษจากครัวเรือนและภาคอุตสาหกรรม ได้เริ่มมีมาตรการลดการปล่อยกาซและมลพิษในอากาศ ที่เรียกว่า The ‘Royal Commission on Noxious Vapours’ ในปี คศ 1878 บันทึกผลกระทบของมลพิษในขณะนั้น แต่การแก้ปัญหาของรัฐบาลอังกฤษนั้นไม่ชัดเจน ประกอบกับการขยายตัวของภาคอุตสาหกรรมหนักมในยุคนั้น ทำให้ไม่สามารถแก้ปัญหามลพิษได้ จนเกิดผลกระทบมากในทศวรรษ 1950 คือปัญหาหมอกควันในกรุงลอนดอนในปี คศ 1952 ที่เรียกว่า The Great London Smog ที่มีผลต่อการเสียชีวิตก่อนวัยอันควรของประชากรอังกฤษในนครลอนดอนกว่า 12,000 รายภายในเวลา 2 สัปดาห์ ทำให้ในปี คศ 1996 ได้มีการประกาศแนวทางของรัฐบาลอังกฤษ ถึงการลดผลกระทบที่มีต่อมลพิษทางอากาศ ที่เรียกว่า The UK Clean Air Act เนื่องจากผลของการขยายภาคครัวเรือนและอุตสาหกรรมในอังกฤษเพิ่มมากขึ้น และรณรงค์ให้มีการลดการปล่อยของควันและกาซจากภาคครัวเรือนและภาคอุตสหกรรม
ในทศวรรษ 1970 ได้มีการรณรงค์ตื่นตัวเกี่ยวกับผลของมลพิษทางอากาศจากปริมาณโอโซนที่พื้นโลก (Ground level ozone) ที่มีผลกระทบต่อสุขภาพของมวลมนุษยชาติโดยเฉพาะในทวีปยุโรปและทวีปอเมริกา หลังจากนั้นได้เกิดปฏิญญา Helsinki ในปี ค ศ 1985 ในการสร้างความร่วมมือในการลดการปล่อยกาซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ลง ร้อยละ 30 ให้ได้ และในปี 1995 ได้มีความร่วมมือในการเฝ้าติดตามปริมาณของโอโซนบนพื้นโลกจากการใช้สัญญาณภาพดาวเทียม (satellite ozone monitoring) ต่อมาได้พบว่าภูมิภาคเอเชียมีการปล่อยกาซซัลเฟอร์ไดออกไซด์และไนโตรเจนไดออกไซด์ ออกมาจากภาคครัวเรือนและอุตสาหกรรมในประเทศจีนและอินเดีย และที่เป็นปัญหาที่ได้รับความสนจมากคือการเกิดหมอกควันที่บดบังการทัศนวิสัยในกรุงปักกิ่ง (Beijing Haze) ในปี คศ 2012 ที่ได้รับความสนใจไปทั่วโลก ที่เกิดจาก particulate matters และ กาซซัลเฟอร์ไดออกไซด์ เช่นเดียวกับกรณี London smog ในปี คศ 1952 นั้น แม้ว่าการปล่อยกาซซัลเฟอร์ไดออกไซด์จากภูมิภาคยุโรปและอเมริกาจะลดลง กว่าร้อยละ 15 นับจากทศวรรษ 1990 แต่การปล่อยกาซดังกล่าวจากภูมิภาคเอเชียใต้และประเทศจีนกลับเพิ่มขึ้น โดยเฉพาะ particulate matters, ไนโตเจนไดออกไซด์ และซัลเฟอร์ไดออกไซด์เพิ่มขึ้นตลอดใน 2 ทศวรรษที่ผ่านมา จากภาคครัวเรือนและภาคอุตสหรกรรมในประเทศอุตสาหกกรมใหม่ เมื่อเทียบกับประเทศที่มีการพัฒนาอุตสาหกรรมในยุคแรก ซึ่ง PM2.5 ได้รับความสนใจมากในช่วงทศวรรษที่ผ่านมาถึงผลกระทบต่อสุขภาพ พบว่ามีผลต่อการเสียชีวิตก่อนวัยอันควรของประชากรโลกกว่า 4 ล้านคน ซึ่งจากการรายงานขององค์การอนามัยโลกว่ามีประชากรในภูมิภาคต่างๆ บนโลกอาศัยอยู่ในพื้นที่ที่มีปริมาณ PM2.5 มากเกินกว่าเกณฑ์ที่ยอมรับได้ขององค์การอนามัยโลก (WHO) ได้มีการรณรงค์ลดการปล่อยกาซมลพิษทางอากาศจากทั่วโลก พบว่าปริมาณกาซซัลเฟอร์ไดออกไซด์และไนโตรเจนได้ออกไซด์ที่ปล่อยจากประเทศจีนมีแนวโน้มลดลงในปี คศ 2018 แต่อย่างไรก็ตามกาซอัมโมเนียและ volatile organic compound กลับปล่อยออกมาคงที่ต่อเนื่อง จนกระทั่งเกิดปัญหาระบาดของเชื้อไวรัสโคโรนาสายพันธ์ใหม่ (SARS-CoV-2) ในปี คศ 2019 ทำให้ภาคอุตสาหกรรมปิดตัวและระงับภาคการขนส่งด้วยเครื่องยนต์พาหนะ ส่งผลให้ปริมาณกาซซัลเฟอร์ไดออกไซด์และไนโตรเจนไดออกไซด์ volatile organic compound และ particulate matter ลดลงอย่างชัดเจน จะเห็นได้ว่าปัญหามลพิษทางอากาศมีผลกระทบรุนแรงชัดเจนอย่างมากกว่า 3 ศตวรรษ จากการเปลี่ยนแปลงของการเกิดการขยายของภาคครัวเรือนและภาคอุตสาหกรรม
ซึ่งมลพิษทางอากาสจากกาซและฝุ่นมีผลกระทบต่อสุขภาพของมวลมนุษยชาติและระบบนิเวศน์วิทยาอย่างมาก แต่มาตการในการควบคุมมลพิษ เช่นลดการปล่อยกาซรวมทั้งฝุ่น particulate matter สู่สิ่งแวดล้อมยังไม่ประสบผลสำเร็จเท่าที่ควร และพบว่ามลพิษทางอากาศดังกล่าวส่งเสริมให้เกิดการติดเชื้อในทางเดินหายใจได้ง่ายขึ้นจากกลไกการอักเสบของหลอดลมและปอด หรืออาจกกล่าวได้ว่าทั้งมลพิษทางอากาศและการติดเชื้อทางเดินหายใจเป็นการคุกคามร่วม (double thread of health) ต่อสุขภาพของประชากรโลก
.
#แหล่งกำเนิดและชนิดของมลพิษทางอากาศ
มลพิษทางอากาศจำแนกเป็นสองกลุ่มใหญ่ๆ คือมลพิษปฐมภูมิ (primary pollutant) และมลพิษทุติยภูมิ (secondary pollutant) โดยมีคุณสมบัติและลักษณะที่แตกต่างกันทั้งส่วนที่เป็นกาซ และเป็นฝุ่น หรืออนุภาค หรือโลหะหนัก หรือสารอินทรีย์
• มลพิษปฐมภูมิ มีแหล่งกำเนิดและแพร่ออกจากต้นกำเนิดสู่สิ่งแวดล้อมโดยตรง เช่นจากโรงงาน
อุตสาหกรรม แหล่งกำเนิดพลังงานไฟฟ้า ยานพาหนะที่อาศัยเชื้อเพลิงเช่นน้ำมัน ได้แก่ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (SO2) ไนโตรเจนออกไซด์ (NOx คือ NO และ NO2), ฝุ่น particulate matter (PM) ที่มีขนาดอนุภาคเล็กกว่า 10 ไมครอน (PM10) และ 2.5 ไมครอน (PM2.5) และคาร์บอนมอนนอกไซด์ (CO) รวมทั้งโลหะหนัก และสารอินทรีย์กลุ่ม volatile organic compound (VOC) สามารถเข้าสู่ระบบทางเดินหายใจและระบบไหลเวียนโลหิตของผู้ป่วยได้
• มลพิษทุติยภูมิ เป็นมลพิษที่ปล่อยจากต้นกำเนิดแล้วมีการทำปฎิริยาเคมี (chemical reaction)
ผ่านขบวนการ NOx catalyzed photochemical oxidation ของ volatile organic compound ในกรณีที่พลังงานแสงอาทิตย์ ทำให้เกิดเป็นโอโซน (ozone) หรือ ground level ozone หรือ smog
ฝุ่นมลพิษขนาดเล็ก particulate matter (PM2.5)
องค์การ Environmental Protection Agency (EPA) ของสหรัฐอเมริกา ได้จำแนกชนิดของมลพิษนอกครัวเรือน (outdoor air pollution) กำหนดเป็นมาตรฐานอากาศเป็นระดับ National Ambient Air Quality Standard (NAAQS) โดยอาศัยมลพิษทางอากาศ 6 ชนิด เป็นข้อกำหนดของคุณภาพอากาศ (Air quality index หรือ AQI) ได้แก่ (2) ดังตาราง 1
1) Ground level ozone ที่มาจาก volatile organic compound
2) Particulate Matter (PM) ทั้ง PM10 และ PM2.5
3) ตะกั่ว (Lead)
4) ไนโตรเจนไดออกไซด์ (Nitrogen dioxide)
5) ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (Sulfur dioxide)
6) คาร์บอนมอนนอกไซด์ (Carbon monoxide)
.
PM เป็น 1 ในมลพิษทางอากาศที่เป็นองค์ประกอบในการประเมินคุณภาพของอากาศจำแนกชนิดของ particulate pollutants เป็น 2 ชนิดคือ fine particle หรือ PM2.5 ที่มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางน้อยกว่า 2.5 ไมครอน และ inhalable course particles คืออนุภาคที่ขนาดเล็กกว่า 10 ไมครอน แต่ใหญ่กว่า 2.5 ไมครอน โดยอนุภาคที่มีขนาดใหญ่จะตกในบริเวณทางเดินหายใจส่วนบนเช่นจมูก คอหอย และอนุภาคขนาดเล็กจะลงไปที่หลอดลมและถุงลมส่วนปลาย
.
เป็นที่ทราบกันดีว่าผลกระทบต่อมลพิษต่อสุขภาพของมนุษย์เกิดกับทุกส่วนของร่างกาย จากระบบการทำงานของทั้งภายนอกและภายในของร่างกาย ทั้งในแง่ความสัมพันธ์ (association) และเป็นสาเหตุ (causation) ทางตรงและทางอ้อม ดังรูป 3 ได้แก่
1) ระบบทางเดินหายใจ ความเสี่ยงต่อจมูกอักเสบ (rhinitis) โรคหืด (asthma) ปอดอุดกั้นเรื้อรัง (chronic
obstructive pulmonary diseases) ปอดติดเชื้อ (pneumonia) มะเร็งปอด (lung cancer)
2) ระบบต่อมไร้ท่อ สัมพันธ์กับเพิ่มความเสี่ยงต่อภาวะดื้ออินซูลิน (insulin resistance) เบาหวานชนิด 1 และชนิดที่ 2 (type 1 and type 2 diabetes) รวมทั้งผลต่อเมตาโบลิซึมของกระดูก (bone metabolism)
3) ระบบหัวใจและการไหลเวียนของหลอดเลือด ระดับความดันเลือดสูง (increased blood pressure) เซลล์เยื่อบุหลอดเลือดทำงานผิดปกติ (endothelial cell dysfunction) การแข็งตัวของเลือดผิดปกติ (increased blood coagulation) หัวใจขาดเลือด (ischemic heart disease) หัวใจล้มเหลว (heart failure) หัวใจเต้นผิดจังหวะ (cardiac arrythmia) และเสียชีวิตฉับพลัน (sudden cardiac death)
4) สมอง สัมพันธ์กับเพิ่มความเสี่ยงต่อสมองขาดเลือด (ischemic stroke) การพัฒนาการสมองที่ช้า (delayed neural development) และโรคสมองและระบบประสาทเสื่อม (neurodegenerative disease)
5) ระบบผิวหนัง การระคายเคืองผิวหนัง และเซลล์ผิวหนังแก่ลง (skin aging)
6) ระบบสืบพันธุ์ ภาวะเป็นหมัน แท้ง คลอดก่อนกำหนด ครรภ์เป็นพิษ น้ำหนักแรกคลอดน้อย (3)
.
ความสำคัญของมลพิษทางอากาศ โดยเฉพาะระบบหัวใจและหลอดเลือด (cardiovascular system) และระบบทางเดินหายใจ (respiratory system) (3)โดยพบว่าผลกระทบต่อระบบหัวใจและหลอดเลือดและระบบทางเดินหายใจ (respiratory system) เป็นปัญหาที่เพิ่มอัตราเจ็บป่วยและอัตราตายของผู้ป่วยจากสาเหตุที่มาจากผลของมลพิษต่อระบบดังกล่าว ที่ได้สัมผัสมลพิษทางอากาศอย่างชัดเจน (4) การติดเชื้อทางเดินหายใจฉับพลัน ส่วนมากเกิดจากไวรัสราวร้อยละ 80 ทำให้เกิดกลุ่มอาการต่างๆ (5) ได้แก่ ไข้หวัด (common cold), ปอดอักเสบ (pneumonia) หลอดลมอักเสบ (acute bronchitis), หลอดลมฝอยอักเสบ (bronchiolitis) รวมทั้งหืดกำเริบฉับพลัน ซึ่งเชื้อไวรัสที่ก่อโรคแตกต่างกันไปตามกลุ่มอาการ (clinical syndrome) เช่น rhinovirus และ human coronavirus ทำให้เกิดไข้หวัดและเป็นเหตุของหืดกำเริบฉับพลันได้บ่อย ในขณะที่ influenza และ adenovirus ทำให้เกิดปอดอักเสบ และ RSV ทำให้เกิดหลอดลมฝอยอักเสบบ่อยกว่าเชื้อไวรัสอื่น(5)
.
#กลไกที่มลพิษทางอากาศสัมพันธ์กับติดเชื้อไวรัสทางเดินหายใจ(6)
ระบบทางเดินหายใจทำหน้าที่เป็นกลไกป้องกันร่างกายจากมลพิษทางอากาศไม่ว่าจะเป็นกาซ หรือฝุ่น particulate matters หรือเชื้อก่อโรคประกอบไปด้วย 2 ระบบ ดังรูป 4 คือ
1) ระบบ innate system ได้แก การกรองตามหลักการพลศาสตร์ (aerodynamic filtration), การโบกของเซลล์ขน (muco-cilliary clearance) , การกำจัดซากอาศัย particle clearance และ macrophage
2) ระบบ immunity system ทั้ง local immunity และ systemic immunity
.
เนื่องจาก macrophages ทำหน้าที่เป็น innate immunity ป้องกันการติดเชื้อไวรัสและแบคทีเรีย มีการศึกษาพบว่าการสัมผัสกับมลพิษทางอากาศทำให้เกิดผลยับยั้งการทำงานของ macrophages ในการป้องกันการติดเชื้อไวรัสและแบคทีเรียดังกล่าว โดยที่อนุภาคของไวรัสจะถูกเก็บกินด้วย macrophages ผ่านขบวนการ phagocytosis และนอกจากนี้ macrophages จะทำงานร่วมกันกับ epithelial cells และเซลล์ที่ติดเชื้อไวรัสในการสร้างสาร interferon ที่มีฤทธิ์เป็น antiviral เพื่อจัดการกับเชื้อไวรัสโดยการยับยั้งการแบ่งตัวของไวรัส (viral replication) ตามมา นอกจากนี้ macrophages นั้นยังมีบทบาทในการกำจัดเซลล์ที่ตาย (debris) ที่เกิดจากการติดเชื้อไวรัส นอกจากนั้น macrophages ยังทำหน้าเป็น antigen presenting cells นำส่ง viral antigen ไปยังเม็ดเลือดขาว T-lymphocytes เพื่อทำให้มีการสร้าง antibody ต่อไวรัสที่เป็น humoral immunity และกระตุ้นให้เกิดการอักเสบทั้ง eosinophilic inflammation และ neutrophilic inflammation ในหลอดลมตามมา นอกจากนี้ macrophages กระตุ้น cytotoxic T lymphocytes เพื่อทำลายเซลล์ที่ติดเชื้อไวรัส ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการควบคุมการติดเชื้อไวรัสในระบบทางเดินหายใจตามมา ทั้งในกรณีที่มีโรคภูมิแพ้หรือโรคหืดร่วมด้วยหรือไม่ก็ตาม(7)
พบว่ากลไกป้องกันการติดเชื้อไวรัสได้ถูกรบกวนและลดความสามารถหลังจากที่มีการสัมผัสกับมลพิษทางอากาศ เช่น ไนโตรเจนไดออกไซด์ และมลพิษทางอากาศอื่นๆ กลไกสำคัญ 4 กลไก
• ความเสี่ยงต่อการติดเชื้อ (Increased pathogen infectivity after pollutant exposure)
• ผลต่อการทำงานของเยื่อบุทางเดินหายใจ (Impaired bronchial immunity)
• ผลต่อการทำงานของ macrophage (Alteration of macrophage function)
• ปฎิกิริยาของเซลล์เยื่อบุ (Epithelial interaction)
ความเสี่ยงต่อการติดเชื้อ (Increased pathogen infectivity after pollutant exposure) เชื่อว่าการสัมผัสกับมลพิษทางอากาศและคุณสมบัติในการต้านการติดเชื้อของสัตว์ทดลอง (animal model) การศึกษาในหนูทดลอง พบว่าการสูดดม ไนโตรเจนไดออกไซด์ (NO2)มีผลต่อระบบภูมิคุ้มกันในสัตว์ทดลองสำหรับป้องกันการติดเชื้อ และทำให้สัตว์ทดลองตายจากการกระตุ้นด้วยแบคทีเรียเช่น Staphylococcus aureus (8) และนอกจากนี้หนูทดลองที่สูดดมไนโตรเจนไดออกไซด์ติดเชื้อ cytomegalovirus ได้ง่ายขึ้นจากผลต่อการยับยั้ง cell mediated immune response และเพิ่มความเสียงในการติดเชื้อซ้ำ (repeated infection) หลังการติดเชื้อครั้งแรก ได้ในสัตว์ทดลองที่สูดดมไนโตรเจนไดออกไซด์ความเข้มข้นสูง (9)
.
ผลต่อการทำงานของเยื่อบุทางเดินหายใจ (Impaired bronchial immunity) การศึกษาทั้งในสัตว์ทดลองและในมนุษย์พบว่าการสัมผัสกับมลพิษทางอากาศทำให้เซลล์ขนของเยื่อบุทางเดินหายใจทั้งทางเดินหายใจส่วนบนและส่วนล่างที่ทำหน้าที่ป้องกันสารก่อภูมิแพ้ ไวรัส และแบคทีเรีย มีประสิทธิภาพการทำงานลดลง (ciliostasis) ส่งผลให้ติดเชื้อง่ายขึ้น การศึกในหลอดทดลองพบว่า เซลล์เยื่อบุหลอดลมของมนุษย์ที่สัมผัสกับไนโตรเจนไดออกไซด์ เกิดภาวะ ciliary dyskinesia โดยมีความถี่ในการเคลื่อนที่ลดลง (frequency beat)(10, 11) การศึกษาพบว่าประชากรปกติที่ได้รับไนโตรเจนไดออกไซด์ มีการทำงานเซลล์ขนของทางเดินหายใจลดลง และพบว่าการสัมผัสไนโตรเจนไดออกไซด์ ทำให้เกิดหลอดลมอักเสบจากการตรวจน้ำล้างปอด (BALF) พบว่ามีจำนวน mast cells, lymphocytes, NK cell เพิ่มขึ้นในขณะที่สัดส่วนของ T-helper cells/T-cytotoxic cells ลดลง (12)แสดงถึงผลของมลพิษทางอากาศต่อเยื่อบุทั้งการทำงานในแง่การป้องกันการติดเชื้อจากทำงานของเซลล์ที่เป็นโครงสร้างและระบบภูมิคุ้มกัน
.
#ผลต่อการทำงานของ (Alteration of macrophage function)
การศึกษาในหลอดทดลองและในมนุษย์พบว่าการเปลี่ยนแปลงการทำงานของ alveolar macrophages ทำให้เพิ่มความเสี่ยงในการติดเชื้อมากขึ้น เนื่องจาก macrophages ทำหน้าที่ 2 อย่างที่สำคัญคือ การสร้าง enzyme ได้แก่ superoxide radical เพื่อกำจัดเชื้อ ที่สำคัญคือ myeloperoxidase และกลไกของการกระตุ้นการสร้าง cytokines ที่มีผลต่อการกำจัดเชื้อไวรัส เช่น IL-6, CXCL8, interferon และ interferon และ tumor necrosis factor- การศึกษาพบว่า macrophages ที่สัมผัสกับไนโตรเจนไดออกไซด์ในขนาดสูงเป็นเวลาอันส้น จะลดการสร้าง cytokines เช่น CXCL-8 และ TNF- ในการตอบสนองต่อการกระตุ้นด้วยแบคทีเรียคือ lipopolysaccharide โดยไม่มีผลต่อ cytotoxicity(13) นอกจากนี้พบว่า PM10 และ PM0.1 มีผลต่อการทำหน้าที่ของ macrophages ในการนำส่ง antigen ผ่านทาง antigen presenting cells ไปยัง T lymphocytes อันเป็นกลไกการทำงานร่วมกันของ alveolar macrophages หรือ monocytes และ T lymphocytes ในการตอบสนองต่อสิ่งแปลกปลอม(14) การสร้าง cytokines ต่อกการอักเสบ พบว่าการตอบสนองของ macrophages ต่อ particulate matter ที่ขนาดแตกต่างกันไป (size) และมีองค์ประกอบ (composition) ที่แตกต่างกันทำให้มีผลการยับยั้งการทำงานที่ต่างกัน
ปฎิกิริยาของเซลล์เยื่อบุ (Epithelial interaction) เป็นที่ทราบดีกว่าการติดเชื้อไวรัสนั้นมีผลต่อเยื่อบุทางเดินหายใจตั้งแต่ทางเดินหายใจส่วนบนจนถึงส่วนล่าง ความรุนแรงของการทำลายเยื่อบุหลอดลมจากไวรัสชนิดต่างกันนั้นมีผลที่แตกต่างกันไป เช่นในกรณีของการติดเชื้อ influenza A ก่อให้เกิดการทำลายของหลอดลม ท่อหลอดลมคอ และกล่องเสียง โดยมีการหลุดลอกของเยื่อบุที่มีขนหรือ ciliated epithelial cells (desquamation) อย่างรุนแรง ในขณะที่เชื้อ rhinovirus ทำลายเยื่อบุเพียงเล็กน้อย พบว่ามลพิษทางอากาศไม่ทำลายเยื่อบุจมูก กล่องเสียงและหลอดลมคอ ทันทีหลังสัมผัส เพราะมีองค์ประกอบโครงสร้างของเยื่อบุที่ทนต่อสาร oxidant ที่เรียกว่า extra-cellular ant-oxidant phase การที่มลพิษทางอากาศทำลายเยื่อบุทำให้เกิดรอยรั่วของเยื่อบุที่สารก่อภูมิแพ้ หรือไวรัสจะสามารถลุกล้ำเข้าไปในเยื่อบุของทางเดินหายใจได้ง่ายขึ้น(15) การสัมผัสมลพิษในระยะยาวทำให้เกิดการหลุดลอกของเยื่อบุ การทำหน้าที่โบกพัดของเซลล์ขนผิดไป ทำให้สารก่อภูมิแพ้สามารถเข้าไปลุกล้ำในเยื่อบุ และก่อให้เกิดการอักเสบตามมาได้ นอกจากนี้เยื่อบุหลอดลมยังทำหน้าที่สร้างสารที่มีบทบาทในการป้องกันหลอดลม เช่น nitric oxide หรือ prostaglandin E2 และ prostaglandin E2 ที่ทำหน้าที่ขยายหลอดลม ทำให้หลอดลมขยายเพื่อกำจัดสิ่งแปลกปลอม การศึกษาในหลอดทดลองพบว่าการกระตุ้นหลอดลมโดยใช้ไนโตเจนไดออกไซด์ (NO2) และโอโซน (O3) ร่วมกับทำเซลล์เยื่อบุหลอดลมเกิดติดเชื้อ rhinovirus ปัจจัยกระตุ้นทั้ง 3 ทำให้เกิดการสร้าง cytokines คือ CXCL8 ที่ทำหน้าที่กระตุ้นเม็ดเลือดขาวนิวโตรฟิลล์โดยเป็นอิสระแก่กัน ผ่านการทำงานของกลไก oxidation พบว่าระดับของไนโตรเจนไดออกไซด์ที่สูงขึ้นร่วมกับการติดเชื้อไวรัสกระตุ้นให้ทางเดินหายใจส่วนบนและส่วนล่างอักเสบ(16) กล่าวได้ว่ามลพิษทางอากาศโดยเฉพาะ oxidant pollution เพิ่มปฎิกิริยาการตอบสนองต่อการติดเชื้อ rhinovirus ให้รุนแรงขึ้น นอกจากจะกระตุ้นให้เกิดผลเสริมฤทธิ์ในแง่การอักเสบที่พบเพิ่มขึ้น การศึกษาพบว่ามลพิษทางอากาศลดการสร้างภูมิคุ้มกันในการทำลายเชื้อไวรัสของร่างกาย การศึกษาในหลอดทดลองพบว่าไนโตรเจนไดออกไซด์ในระดับต่างๆ ทำให้การสร้าง anti-viral cytokines ลดลงในการตอบสนองต่อการติดเชื้อ respiratory syncytial virus รวมทั้งการกักไวรัสในเซลล์ (internalization) ลดลง
สรุป กลไกที่แสดงถึงปฎิสัมพันธ์ของการติดเชื้อไวรัสในทางเดินหายใจและมลพิษทางอากาศ ที่ส่งผลให้เกิดอาการของโรค และโรคระบบทางเดินหายใจยังต้องการการศึกษาเพิ่มขึ้น เชื่อว่า oxidant pollutant กระตุ้นให้เกิดการอักเสบหรือ การทำลายโครงสร้างทางเดินหายใจ การกำเริบของโรคทางระบบหายใจเดิม โดยมีผลเสริมฤทธิ์กันระหว่างมลพิษทางอากาศและการติดเชื้อไวรัส ในระดับที่แตกต่างกันไปตามกลไกพยาธิสรีรวิทยา
.
ผลกระทบของมลพิษทางอากาศนอกจากทำให้เพิ่มความเสี่ยงต่อการติดเชื้อทางเดินหายใจจากไวรัสและเเบคทีเรียดังที่ได้กล่าวไป รวมทั้งผลต่อระบบหัวใจและหลอดเลือด และต่อระบบทางเดินหายใจ ซึ่งมลพิษทางอากาศอาจมีผลต่อการติดเชื้อไวรัสโคโรน่าสายพันธ์ใหม่ (SARS-CoV-2) ปริมาณของมลพิษทางอากาศที่วัดจากค่า air quality index (AQI), และมลพิษทางอากาศทั้ง PM2.5, PM10, NO2 และ CO สัมพันธ์กับอุบัติการณ์ของโรคด COVID-19 ในประเทศจีน(17) พบว่ามลพิษทางอากาศยังสัมพันธ์กับการติดเชื้อและอัตราเสียชีวิตของโรค COVID-19 ในสหราชอาณาจักร(18) แม้ว่าจะมลพิษทางอากาศจะทำให้คุณภาพของอากาศที่วัดจากค่า AQI ดีขึ้นในเมืองที่มีปะชากรหนาแน่นสูงในช่วงการระบาดของโควิดเช่นในอินดเดีย พบว่าในระหว่างสถานการณ์ระบาดของโควิดมีปริมาณมลพิษทางอากาศลดลงอย่างชัดเจน PM2.5, PM10, NH3, และ SO2 (19) อันอาจเกิดจากมาตรการของประเทศในการลดการเดินทางและผลต่ออุตสาหกรรมในช่วงระบาดของไวรัสโคโรน่าสายพันธ์ใหม่
ความรุนแรงของการติดเชื้อไวรัสดังกล่าวในประชากรที่อาศัยในเมืองหรือพื้นที่ที่ต้องสัมผัสกับมลพิษทางอากาศ กรณีติดเชื้อในทางเดินหายใจ หรือทำลายระบบทางเดินหายใจมีความรุนแรงของโรค COVID-19 มากกว่าประชากรที่ไม่ได้สัมผัสมลพิษทางอากาศ (20)การศึกษาทางระบาดวิทยา systematic review พบว่าประวัติการสัมผัสกับมลพิษทางอากาศ ทั้งกาซ ได้แก่ไนโตรเจนไดออกไซด์ (NO2), และฝุ่น particulate matter ทั้ง PM2.5 และ PM10 เพิ่มการแพร่กระจายของไวรัสโคโรน่าสายพันธ์ใหม่จากจำนวนผู้ยืนยันรายป่วย (confirmed cases) และการเสียชีวิตจากการติดเชื้อไวรัสดังกล่าว เชื่อว่าเกิดจากมลพิษทางอากาศมีผลต่อการแสดงอออกของตัวรับ ACE-2 receptors สำหรับการติดเชื้อ SARS-CoV-1 และ SARS-Co-V2 บนผิวของเซลล์เยื่อบุ (bronchial epithelial cells) ของระบบทางเดินหายใจ พบว่าประเทศที่มีปัญหามลพิษทางอากาศรุนแรงมีจำนวนผู้ป่วยโรค COVID-19 สูงมาก ยังพบว่าระดับของมลพิษทางอากาศนั้นสัมพันธ์กับความรุนแรงของโรค COVID-19 (21)
กล่าวได้ว่ามลพิษทางอากาศและการติดเชื้อ COVID-19 เป็นทฤษฎี double hit theory จากที่การสัมผัสกับมลพิษทางอากาศในระยะยาวต่อฝุ่น PM2.5 (chronic exposure to PM 2.5) ทำให้เกิดตัวรับของไวรัสในทางเดินหายใจมากขึ้น (alveolar ACE-2 receptor overexpression) (22)โดยที่มลพิษทางอากาศทำให้การแพร่กระจายของไวรัสมากขึ้น หรือ มลพิษทางอากาศทำให้โรค COVID-19 นั้นมีความรุนแรงขึ้นจากภาวะแทรกซ้อนหรือความเจ็บป่วยทีเกิดจากมลพิษทางอากาศ การศึกษาในประเทศจีนพบว่าผลจากมาตรการการล้อกดาวน์ พบว่าลดปริมาณมลพิษทางอากาศและอาจมีผลทำให้การแพร่กระจายของโรค COVID-19 ลดลง (23) ดังรูป 7
อย่างไรก็ตามความสัมพันธ์ระหว่าง มลพิษทางอากาศและผลต่อโรค COVID-19 (24) เป็นผลเสริมกันซึ่งนำมาสู่มาตรการลดมลพิษทางอากาศในเชิงนโยบาย อาจมีผลช่วยลดการแพร่กระจายของไวรัส SARS-CoV-2 ต้องมีการศึกษาแบบมีระเบียบวิธีวิจัยต่อไป ในแง่ของกลไกก่อโรค ผลของมาตรการเชิงป้องกันและเชิงแก้ไขสำหรับการนำไปใช้ในทางปฎิบัติ
.
การรักษาการติดเชื้อไวรัสโคโรน่าสายพันธ์ใหม่ เนื่องจากปัจจุบันมียาต้านไวรัสหลายชนิดที่ออกฤทธิ์ผ่านกลไกที่แตกต่างกัน ประกอบไปด้วยยาต้านไวรัส ยาที่มีผลต่อการติดเชื้อของไวรัส SARS CoV-2 ในเซลล์ และระบบภูมิคุ้มกันของผู้ป่วย (25)ได้แก่ ยาต้านไวรัส ออกฤทธ์ยับยั้งเอนไซม์ RNA-dependent RNA polymerase เช่น Favipiravir และ Remdesivir ซึ่งเคยใช้ในการรักษาการติดเชื้อ Ebola และยาออกฤทธิ์ยับยั้งเอนไซม์ 3-chymotrypsin like protease เช่น Lopinavirและ Darunavir ที่ปกตินำมาใช้ในการรักษาไวรัส HIV/AIDS ยาต้านไวรัสออกฤทธิ์ยับยั้งการจับ (interaction) ของ S protein ของไวรัส กับ ACE2 receptor บนผิวเซลล์ เช่น umifenovir (Arbidol) ยาที่ยับยั้งไวรัสเข้าเซลล์ (Inhibit viral entry) และขบวนการ endocytosis รวมทั้งปรับระบบภูมิคุ้มกัน (immunomodulation) เช่น hydroxychloroquine และ chloroquine เป็นต้น ซึ่งปัจจุบันไม่แนะนำให้ใช้ในการรักษา COVID-19 แล้ว ยาที่จับตัวรับสารเหนี่ยวนำการอักเสบ (inflammatory cytokine receptors) เช่น IL-6 receptor ยับยั้งการกระตุ้น IL-6 receptors และขบวนการในเซลล์ เช่น Tocilizumab และ Sarilumab สำหรับยากลุ่ม systemic corticosteroid องค์การอนามัยโลกไม่แนะนำให้นำมาใช้ในการรักษาโรค COVID-19 ในกรณีทั่วไปเนื่องจากเนื่องจากยา systemic corticosteroid มีผลลดภูมิคุ้มกันของร่างกายที่ต่อต้านการติดเชื้อไวรัส (impaired antiviral immunity ได้ ใช้ในการรักษาหืดกำเริบ โดยเฉพาะผู้ป่วยหืดที่ควบคุมโรคไม่มีความเสี่ยงต่อติดเชื้อไวรัสและกระตุ้นให้หืดกำเริบจากเยื่อบุหลอดลมศูนย์เสียโครงสร้างและการทำงาน
แม้ว่าโรคหืดกับความเสี่ยงในการติดเชื้อไวรัสโคโรน่าสายพันธุ์ใหม่จะมีข้อมูลที่ไม่ชัดเจน แต่พบว่าโรคหืดและปอดอุดกั้นเรื้อรังมีโอกาสเกิดอาการที่รุนแรงหลังจากติดเชื้อไวรัสดังกล่าวได้มากกว่าประชากรทั่วไป องค์การอนามัยโลกได้ระบุว่าผู้ป่วยหืดมีโอกาสเกิดโรค COVID-19 ที่อาการรุนแรง และในกรณีที่หืดกำเริบฉับพลันจากการติดเชื้อไวรัสดังกล่าว รวมทั้งไวรัสอื่นๆ ทำให้มีผลต่อการสูญเสียความมั่นคงของเยื่อบุหลอดลม (bronchial epithelial integrity) และมีการอักเสบของหลอดลมรุนแรงขึ้นหลังติดเชื้อไวรัส(26) ยา systemic corticosteroid อาจได้ประโยชน์ เนื่องจากยาลด type-2 inflammation และปรับเพิ่ม antiviral immunity ของผู้ป่วยหืดที่สูญเสียไปได้ ซึ่งต่างจากการให้ยาดังกล่าวในผู้ป่วย COVID-19 ที่ไม่มีหืดกำเริบฉับพลันที่ไม่แนะนำให้ใช้ยา systemic corticosteroid ดังกล่าว(27)
.
#สรุป (Conclusions)
มลพิษทางอากาศประกอบไปด้วยกาซต่างๆ เช่นไนโตรเจนไดออกไซด์ ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ และแอมโมเนีย ฝุ่น particulate matter (PM) ทั้ง PM2.5 และ PM10 พบว่าทำให้เกิดผลกระทบต่อร่างกายในทุกระบบทั้งภายนอกและภายใน ทำให้เกิดผลต่อระบบทางเดินหายใจ เพิ่มความเสี่ยงต่อภาวะจมูกอักเสบ (rhinitis) โรคหืด (asthma) โรคปอดอุดกั้นเรื้อรัง (chronic obstructive pulmonary diseases) ปอดติดเชื้อ (pneumonia) มะเร็งปอด (lung cancer) และการเสียชีวิตฉับพลันก่อนเวลา (premature death) การติดเชื้อทางเดินหายใจและการสัมผัสกับมลพิษทางอากาศ มีผลในเชิงส่งเสริมผลของการติดเชื้อผ่านทางกลไกของมลพิษต่อการติดเชื้อทั้งจากการสูญเสียหน้าที่ของเยื่อบุหลอดลม และการทำงานของระบบภูมิคุ้มกันโดยมีผลต่อการทำงานของ macrophages ผลของมลพิษทางอากาศทั้ง ไนโตรเจนไดออกไซด์ และฝุ่น particulate matter ต่อการติดเชื้อไวรัสโคโรน่าสายพันธ์ใหม่ (SARS-CoV-2) ทำให้มีความเสี่ยงในการติดเชื้อเพิ่มขึ้น และเพิ่มความรุนแรงของโรค COVID-19 และผลของการควบคุมมลพิษในเชิงนโยบายอาจมีผลลดความเสี่ยงต่อการการติดเชื้อที่ลดลง รวมทั้งการป้องกันการสัมผัสกับมลพิษทางอากาศด้วยอุปกรณ์ป้องกันกับการลดลงของการติดเชื้อ ต้องการการศึกษาต่อไปในเพื่อการนำไปใช้ในทางเวชปฎิบัติต่อไป
.
📔📒เอกสาร
1. Fowler D, Brimblecombe P, Burrows J, Heal MR, Grennfelt P, Stevenson DS, et al. A chronology of global air quality. Philosophical transactions Series A, Mathematical, physical, and engineering sciences. 2020;378(2183):20190314-.
2. Laumbach RJ. Outdoor air pollutants and patient health. Am Fam Physician. 2010;81(2):175-80.
3. Santos UdP, Arbex MA, Braga ALF, Mizutani RF, Cançado JED, Terra-Filho M, et al. Environmental air pollution: respiratory effects. J Bras Pneumol. 2021;47(1):e20200267-e.
4. Simoni M, Baldacci S, Maio S, Cerrai S, Sarno G, Viegi G. Adverse effects of outdoor pollution in the elderly. J Thorac Dis. 2015;7(1):34-45.
5. Message SD, Johnston SL. The immunology of virus infection in asthma. Eur Respir J. 2001;18(6):1013-25.
6. Chauhan AJ, Johnston SL. Air pollution and infection in respiratory illness. Br Med Bull. 2003;68:95-112.
7. Dougherty RH, Fahy JV. Acute exacerbations of asthma: epidemiology, biology and the exacerbation-prone phenotype. Clin Exp Allergy. 2009;39(2):193-202.
8. Jakab GJ. Modulation of pulmonary defense mechanisms by acute exposures to nitrogen dioxide. Environ Res. 1987;42(1):215-28.
9. Rose RM, Fuglestad JM, Skornik WA, Hammer SM, Wolfthal SF, Beck BD, et al. The pathophysiology of enhanced susceptibility to murine cytomegalovirus respiratory infection during short-term exposure to 5 ppm nitrogen dioxide. Am Rev Respir Dis. 1988;137(4):912-7.
10. Carson JL, Collier AM, Hu SC, Delvin RB. Effect of nitrogen dioxide on human nasal epithelium. Am J Respir Cell Mol Biol. 1993;9(3):264-70.
11. Helleday R, Huberman D, Blomberg A, Stjernberg N, Sandström T. Nitrogen dioxide exposure impairs the frequency of the mucociliary activity in healthy subjects. Eur Respir J. 1995;8(10):1664-8.
12. Sandström T, Helleday R, Bjermer L, Stjernberg N. Effects of repeated exposure to 4 ppm nitrogen dioxide on bronchoalveolar lymphocyte subsets and macrophages in healthy men. Eur Respir J. 1992;5(9):1092-6.
13. Kienast K, Knorst M, Müller-Quernheim J, Ferlinz R. Modulation of IL-1 beta, IL-6, IL-8, TNF-alpha, and TGF-beta secretions by alveolar macrophages under NO2 exposure. Lung. 1996;174(1):57-67.
14. Becker S, Soukup J. Coarse(PM(2.5-10)), fine(PM(2.5)), and ultrafine air pollution particles induce/increase immune costimulatory receptors on human blood-derived monocytes but not on alveolar macrophages. J Toxicol Environ Health A. 2003;66(9):847-59.
15. Gordon RE, Solano D, Kleinerman J. Tight junction alterations of respiratory epithelium following long-term NO2 exposure and recovery. Exp Lung Res. 1986;11(3):179-93.
16. Spannhake EW, Reddy SP, Jacoby DB, Yu XY, Saatian B, Tian J. Synergism between rhinovirus infection and oxidant pollutant exposure enhances airway epithelial cell cytokine production. Environ Health Perspect. 2002;110(7):665-70.
17. Li H, Xu XL, Dai DW, Huang ZY, Ma Z, Guan YJ. Air pollution and temperature are associated with increased COVID-19 incidence: A time series study. Int J Infect Dis. 2020;97:278-82.
18. Travaglio M, Yu Y, Popovic R, Selley L, Leal NS, Martins LM. Links between air pollution and COVID-19 in England. Environ Pollut. 2021;268(Pt A):115859.
19. Pant G, Alka, Garlapati D, Gaur A, Hossain K, Singh SV, et al. Air quality assessment among populous sites of major metropolitan cities in India during COVID-19 pandemic confinement. Environ Sci Pollut Res Int. 2020;27(35):44629-36.
20. Maheswari S, Pethannan R, Sabarimurugan S. Air pollution enhances susceptibility to novel coronavirus (COVID-19) infection - an impact study. J Environ A**l Health Toxicol. 2020;35(4):e2020020.
21. Paital B, Agrawal PK. Air pollution by NO(2) and PM(2.5) explains COVID-19 infection severity by overexpression of angiotensin-converting enzyme 2 in respiratory cells: a review. Environ Chem Lett. 2020:1-18.
22. Frontera A, Cianfanelli L, Vlachos K, Landoni G, Cremona G. Severe air pollution links to higher mortality in COVID-19 patients: The "double-hit" hypothesis. J Infect. 2020;81(2):255-9.
23. Sharma AK, Balyan P. Air pollution and COVID-19: Is the connect worth its weight? Indian J Public Health. 2020;64(Supplement):S132-s4.
24. Copat C, Cristaldi A, Fiore M, Grasso A, Zuccarello P, Signorelli SS, et al. The role of air pollution (PM and NO(2)) in COVID-19 spread and lethality: A systematic review. Environ Res. 2020;191:110129-.
25. Phua J, Weng L, Ling L, Egi M, Lim CM, Divatia JV, et al. Intensive care management of coronavirus disease 2019 (COVID-19): challenges and recommendations. Lancet Respir Med. 2020;8(5):506-17.
26. Gern JE. The ABCs of rhinoviruses, wheezing, and asthma. J Virol. 2010;84(15):7418-26.
27. Kumar K, Hinks TSC, Singanayagam A. Treatment of COVID-19-exacerbated asthma: should systemic corticosteroids be used? Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 2020;318(6):L1244-l7.
