大气雾霾颗粒在各年龄段人群上呼吸道内的输运及沉积模式研究

Health hazards due to excessive haze pollution have become a major concern of the whole society. The respiratory tract serves as the primary route of haze particle exposure, it has attracted extensive research efforts for decades. However, previous research studies could not reflect the influence of anatomical differences among populations with different age, and most of them were based on one or very few samples. As a result, those research findings are not valid for all age-groups. To bridge this research gap, this project will establish characterised upper respiratory tract models for all age-groups based on a large number of medical imaging samples accumulated by our collaborating hospital over decades. Besides, the applicant has done substantial research work in this area, which laid a solid foundation for the proposed project. The effects of upper respiratory tract anatomy and respiratory activity on the haze particles transport and deposition will be analysed. The haze particle deposition characteristics will be quantified in detail to provide the basis for effective health risk assessment and treatment targeting different age groups. This project will assist medical practitioners to establish a predictive approach for susceptible populations to provide specialised protection strategies against haze pollution. Finally, the accomplishment of this project will substantially improve the current emergency responses during national public health events.

大气雾霾污染造成的健康危害已成为全社会普遍关注的重大问题。呼吸道作为人体暴露于大气污染的首要途径，长期以来受到广泛的关注和研究。但是，以往的研究大多忽略了呼吸道解剖结构及性状随年龄的巨大差异，并且广泛存在生物学样本单一的不足，所产生的研究结论难以推广至大多数人群。鉴于此，申请人提出了按年龄分段研究大气颗粒物在上呼吸道内的沉积规律的新思路，开展了大量的前期工作，并且获得了一系列重要的研究成果。本项目正是对前期工作的进一步深入和细化，拟利用医疗一线单位多年来积累的大量生物学样本实现各年龄段人群上呼吸道的特征化描述，填补以往研究样本不足的缺陷。本项目还将分析不同人群的呼吸活动规律、微细解剖结构及呼吸道表层性状对大气颗粒物输运及沉积规律的影响。本项目研究成果将为雾霾健康效应的精准预测提供高精度的理论和数据支撑，同时也为今后有效提高我国医疗卫生部门应对突发性公共卫生事件的能力奠定必要的基础。

近年来，环境雾霾颗粒物对人体的健康危害已成为全社会共同关注的重大问题。相比于相同组分的微米级颗粒，纳米级颗粒物的传播距离和毒性普遍较大。由于其小尺寸效应，吸入人体后很容易在体内蓄积，产生严重的健康后果。因此深入研究纳米级颗粒物在人体呼吸系统内输运和沉积特性对于公共卫生事业，尤其对易感人群和高危人群的保护，有很强的指导意义。现有研究证据表明不同人群的呼吸系统存在明显差异，但是目前学界对不同年龄段的呼吸系统暴露特性的研究相对薄弱。为了补足此基础研究短板，本项目与工作在一线的医疗卫生专业学者联合，获得并分析了大量人体上呼吸道医学影象资料。项目采用重建真实模型，实验观测，虚拟暴露，理论分析相互结合的方式，有针对性的开展了一系列研究工作，取得了丰硕成果。实验方面，为了获得一手的实验数据，同时增强对上呼吸道内吸气气流特征的认识，本项目采用粒子成像技术，围绕三维鼻咽气道模型搭建起上呼吸道粒子成像测速试验台。同时基于相同的鼻咽气道模型并行开展了数值模拟工作。通过在同样气道位置上提取数据，系统比较了两种方法结果的差异性。研究结果为揭示复杂气道内的流场结构和模型的改进提供了依据。理论方面，本项目开创性的研究了不同人体鼻阀形态对鼻腔内部气流组织分布和颗粒传输行为的影响，并成功建立了一覆盖大部分传导气道的全呼吸道模型。在研究人呼吸道颗粒暴露特性的同时，本项目同时开展了相关实验动物气道的模拟工作，将研究方法跨物种推广到实验大鼠和猕猴的呼吸系统。最终，在前期准备工作的基础上，项目研究了不同年龄段人体鼻腔模型的呼吸暴露特性，成功完成了项目申请书和计划书规定的研究目标，为今后相关领域的暴露风险评估及防范工作提供了科学依据。