呼吸微環境
Respiratory Microenvironment

“呼吸微環境”是指人的每一(yī)次呼吸可能觸及到的口鼻周圍的三維空間區域，是“人體(tǐ)微環境”的重要組成部分(fēn)；“呼吸微環境”可分(fēn)爲“自然呼吸微環境”與“人工(gōng)呼吸微環境”兩種。

“自然呼吸微環境”是由外(wài)部環境圍繞人體(tǐ)呼吸道開(kāi)口自然過渡而成的三維空間區域；“人工(gōng)呼吸微環境”則爲人工(gōng)幹預的具有一(yī)定邊界的，并可與外(wài)部環境有效隔離(lí)的三維空間區域；例如，宇宙飛船上使用的太空盔即是航天員(yuán)的“人工(gōng)呼吸微環境”。

自然呼吸微環境
Natural Respiratory Microenvironment

“自然呼吸微環境”固有的三大(dà)缺陷：1.空間區域完全開(kāi)放(fàng)——與外(wài)部環境無隔離(lí)，存在交叉感染風險；2.邊界不确定——吸入氣體(tǐ)的溫濕度無法精準調控；3.氣體(tǐ)流場紊亂——存在廢氣回吸現象，如呼出的CO₂廢氣、病毒顆粒、炎性分(fēn)泌物(wù)顆粒等可被再次吸入。

人工(gōng)呼吸微環境
Artificial Respiratory Microenvironment

良好設計的“人工(gōng)呼吸微環境”具有三大(dà)優勢：1.空間區域局部定向開(kāi)放(fàng)——與外(wài)部環境有效動态隔離(lí)，無交叉感染風險；2.邊界确定——吸入氣體(tǐ)的溫濕度可精準調控；3.氣體(tǐ)流場穩定——無廢氣回吸現象，呼出的CO₂廢氣、病毒顆粒、炎性分(fēn)泌物(wù)顆粒等不會被再次吸入。

睡眠呼吸微環境對人體(tǐ)健康的影響
Effects of Sleeping Respiratory Microenvironment

睡眠呼吸微環境的好壞對睡眠質量、呼吸系統、心血管系統及其他人體(tǐ)各系統功能，甚至壽命，均有顯著影響。

睡眠過程中(zhōng)，由于副交感神經興奮，心跳及呼吸減慢(màn)、血壓降低、支氣管收縮、傳導性氣道纖毛擺動減弱，呼吸防護能力顯著下(xià)降，即使空氣中(zhōng)存有少量的有害顆粒物(wù)，病患的咳嗽、哮喘及其他病症均易于發生(shēng)并加重。

• 呼吸微環境中(zhōng)的顆粒物(wù)對人體(tǐ)的影響

  大(dà)量研究表明，空氣中(zhōng)直徑10μm以下(xià)的顆粒物(wù)即可引發健康風險，各類過敏原及病原微生(shēng)物(wù)可附着其上成“簇”，持久存在成爲“緻病顆粒物(wù)”；睡眠期間因傳導性氣道的黏液纖毛清除系統功能下(xià)降，吸入的顆粒物(wù)難以有效清除，“緻病顆粒物(wù)”所緻的過敏性哮喘和感染易于發生(shēng)并加重；而直徑小(xiǎo)于2.5μm的細顆粒物(wù)可順利達到肺泡引發炎症，其中(zhōng)更微小(xiǎo)的顆粒物(wù)則可穿越“氣血屏障”進入血液循環危害全身各組織器官，尤其易于誘發并加重心腦血管疾病，使受害者平均壽命顯著縮減！《美國科學院院報》關于淮河以南(nán)以北(běi)的降塵濃度研究顯示，由于有供暖燃煤的區别，淮河以北(běi)居民預期壽命平均縮短5.52年。

  哈佛醫學院、清華大(dà)學醫學院共同發表在《英國醫學雜(zá)志(zhì)》的一(yī)項關于9500萬人數據的大(dà)型研究證實，PM2.5濃度每增加1μg/m³，心衰、心梗、心律失常、肺炎、慢(màn)阻肺、支氣管擴張、呼吸衰竭、帕金森(sēn)病、糖尿病、血栓、靜脈炎、體(tǐ)液和電(diàn)解質紊亂等疾病相關的每年住院數量将增加5692例，住院天數增加32314天，死亡增加634例，因病情導緻65億美金的經濟損失。研究同時發現，即便在PM2.5水平低于世界衛生(shēng)組織（WHO）空氣質量标準（25μg/m³）的日子裏，仍然存在這種關聯。“PM2.5沒有安全下(xià)限”已成醫學共識。

• 呼吸微環境中(zhōng)的氣體(tǐ)溫濕度對人體(tǐ)的影響

  幹冷空氣堪稱“黏液纖毛的殺手”，濕度小(xiǎo)于40%RH的幹冷空氣短時間吸入即會顯著損傷傳導性氣道黏液纖毛清除系統，并可導緻支氣管收縮及冠狀動脈痙攣，嚴重影響心肺功能。

• 呼吸微環境中(zhōng)的空氣負氧離(lí)子對人體(tǐ)的影響

  空氣負氧離(lí)子作爲“藍(lán)色維他命”和“空氣長壽素”本應對人體(tǐ)生(shēng)長發育與疾病防治具有極爲積極的作用，但由于空氣中(zhōng)各種顆粒物(wù)的存在，負氧離(lí)子被快速“中(zhōng)和”，最終無法經呼吸道有效攝入；而負氧離(lí)子在無顆粒物(wù)存在的空氣中(zhōng)壽命最長，可經肺泡進入血液循環爲各組織器官“充電(diàn)”。

傳導性氣道呼吸防護功能
Conducting Airway Protective Function

起始于鼻，以“通道”方式枝蔓般延展的人類呼吸系統，具有呼吸防護（傳導性氣道）與氣血交換（肺的呼吸部）兩大(dà)核心功能，良好的呼吸防護是氣血交換能夠順利進行的前提！通常呼吸系統從氣管到肺泡劃分(fēn)爲二十三級，其中(zhōng)前十六級屬于傳導性氣道，傳導性氣道的黏液纖毛清除系統承擔了主要的呼吸防護功能，是機體(tǐ)抵禦外(wài)來緻病因子入侵的第一(yī)道天然屏障。

研究發現，向實驗組哺乳動物(wù)呼吸道預先噴射澱粉漿劑後再噴射肺炎球菌，由于澱粉漿劑“封閉”了傳導性氣道黏液纖毛清除系統的功能，該組動物(wù)一(yī)定會發生(shēng)肺炎；而對照組不預先噴射澱粉漿劑，直接噴射肺炎球菌，則該組動物(wù)隻是偶爾發生(shēng)肺炎。

大(dà)量臨床研究表明，健全的黏液纖毛清除系統是傳導性氣道呼吸防護功能的關鍵，而黏液纖毛清除系統的受損則成爲各種呼吸道疾病的起點！

強大(dà)而又(yòu)脆弱的黏液纖毛清除系統
Strength and Fragility of Mucociliary Clearance System

“人體(tǐ)呼吸系統總表面積約140㎡（主要爲肺泡面積），傳導性氣道表面積隻有0.03㎡，而這小(xiǎo)小(xiǎo)的“關鍵防護區域”則承擔了呼吸系統絕大(dà)多數的防護任務；凝膠層（黏液毯）、溶膠層及沉浸在溶膠層中(zhōng)的可定向擺動的纖毛是傳導性氣道呼吸防護的獨特結構，外(wài)來吸入的花粉、微生(shēng)物(wù)及其他顆粒物(wù)被粘附在黏液毯表面，每個纖毛細胞約有200根纖毛，其頂端可接觸到黏液毯并以極高的頻(pín)率做“甩鞭”式運動，使黏液毯類似“溪流”般持續移動，無數條排污的“溪流”将各類顆粒物(wù)源源不斷的運輸至咽部，最終以咳痰或吞咽的方式排出呼吸系統。”

黏液纖毛清除系統的強大(dà)
Strength of Mucociliary Clearance System

當黏液纖毛清除系統功能健全時，花粉、細菌或其他顆粒物(wù)在0.1s内即可被移動33.3μm；以直徑3μm左右的球菌爲例，當其從吸入氣流中(zhōng)墜落在黏液毯的一(yī)刻起，瞬間（0.1s）即被“排污的溪流”沖刷到十倍自身尺寸之外(wài)，細菌感染無從發生(shēng)！圖中(zhōng)展示直徑5μm的可引發哮喘的花粉顆粒及直徑0.7μm的細小(xiǎo)顆粒物(wù)被吸入呼吸道，瞬間（0.1s）即與黏膜的初始墜落點脫離(lí)，基本上沒有與黏膜細胞充分(fēn)接觸的時間；健全的黏液纖毛清除系統構成了人體(tǐ)最爲珍貴的保衛呼吸安全的“動态屏障”（爲清晰顯示顆粒物(wù)運動軌迹，圖中(zhōng)隐藏了透明态的黏液毯）。 

除了“防”，黏液纖毛清除系統對于呼吸系統還有“護”的功能，主要體(tǐ)現在濕化（黏液毯水分(fēn)蒸發）和溫化（黏液毯熱量釋放(fàng)）吸入氣體(tǐ)，避免幹冷氣體(tǐ)損傷各級氣道與肺泡。

當黏液纖毛清除系統功能健全時，其功能驚人的強大(dà)！能夠以每分(fēn)鍾5-20mm的速率清除進入呼吸道的各類緻病顆粒物(wù)，使其無法在黏膜表面長時間停留，更無機會接觸和損傷黏膜上皮細胞，吸入過敏原導緻的哮喘、過敏性鼻炎和吸入病原微生(shēng)物(wù)導緻的感染不會發生(shēng)！新冠疫情期間未佩戴口罩卻頻(pín)繁接觸确診患者的人群中(zhōng)也有大(dà)量不被感染者，其黏液纖毛清除系統功能通常健全。

黏液纖毛清除系統的脆弱
Fragility of Mucociliary Clearance System

黏液纖毛清除系統雖功能強大(dà)但其本身也很脆弱！多種體(tǐ)内、體(tǐ)外(wài)不利因素均可快速且顯著破壞黏液毯的完整性，出現纖毛擺動障礙、黏液傳輸速率下(xià)降，上皮細胞直接暴露在黏液毯的缺損區域，緻病顆粒物(wù)直接侵襲上皮細胞并持續停留，感染或哮喘等易于發生(shēng)。

損傷黏液纖毛清除系統的常見内部原因包括服用藥物(wù)、辛辣飲食、肥胖、脫水、缺乏運動、失眠、糖尿病、心血管疾病、呼吸道感染等；外(wài)部原因包括幹冷空氣、空氣污染、吸煙等。

黏液纖毛清除系統受損的危害
Hazard of Impaired Mucociliary Clearance System

大(dà)量臨床事實證明，呼吸系統疾病如鼻炎、哮喘、呼吸道感染、慢(màn)阻肺等，常起始于黏液纖毛清除系統的受損，并因黏液纖毛清除系統的持續受損而加重，最大(dà)程度恢複黏液纖毛清除系統的呼吸防護功能是各類呼吸系統疾病好轉或痊愈的關鍵。

健康人群的黏液纖毛清除系統功能正常時，少量吸入的病原微生(shēng)物(wù)、過敏原、其他顆粒物(wù)均無法在呼吸道内長時間停留，相應的疾病難以發生(shēng)。

而對于已有呼吸道炎症的患者，黏液纖毛清除系統功能崩潰，無數條排污的“溪流”幹涸，此時免疫系統不僅要努力消滅已感染區域内不斷繁殖的微生(shēng)物(wù)，還要疲于應對随氣流吸入的新的微生(shēng)物(wù)、過敏原、其他顆粒物(wù)，徒勞消耗大(dà)量吞噬細胞，并導緻免疫信号傳導混亂，免疫失調加重，從而形成惡性循環，氣道炎症遷延不愈，嚴重影響氣血交換，随時引發心肺功能衰竭，即便搶救及時，生(shēng)命得以保全，最終氣道結構也會發生(shēng)不可逆的纖維化等塑性改變，危害患者終生(shēng)。

危害一(yī)：各種氣道炎症惡性循環、遷延不愈
First Hazard — Vicious Cycle and Protracted of Airway Inflammation

爲何哮喘會反複發作？

在哮喘病程中(zhōng)，氣道炎症（伴随黏液纖毛清除系統的損傷）、氣道高反應性兩者相互作用形成惡性循環，成爲哮喘反複發作及氣道炎症遷延不愈的重要原因；氣道高反應性的患者，即使遇到日常生(shēng)活中(zhōng)對正常人影響很小(xiǎo)的輕微刺激，如普通感冒、吸入少量過敏原、吸入幹冷空氣、吸入少量煙霧等就易導緻哮喘發作。

危害二：對心血管健康的影響
Second Hazard — Effects on Cardiovascular Health

流行病學分(fēn)析表明，空氣污染對心血管系統的影響不亞于呼吸系統。影響程度具體(tǐ)與空氣中(zhōng)顆粒物(wù)直徑有關，大(dà)直徑顆粒物(wù)更多影響呼吸道，而細小(xiǎo)顆粒物(wù)尤其是超細小(xiǎo)顆粒物(wù)則更多對心血管系統造成損傷。顆粒物(wù)通過誘發氧化應激、誘發炎症反應、直接阻塞心肌離(lí)子通道、影響凝血機制、損傷心肌細胞線粒體(tǐ)等方式危害心血管系統。

空氣污染對心血管的影響可以簡單分(fēn)爲短期作用和長期效應。

• 短期作用

  有害顆粒物(wù)的短期暴露即會顯著增加缺血性心髒病、心律失常和心衰的發生(shēng)率。

• 長期效應

  哈佛六城市研究（HSC）證實長期接觸污染空氣與心血管疾病的死亡率升高有關，并且研究發現PM2.5濃度每下(xià)降1μg/m³，整體(tǐ)死亡率就會相應地減少3%；PM2.5濃度輕微上升，心肌梗死後的臨床預後更差，發生(shēng)心力衰竭更多，再住院率更高，對于心血管疾病而言PM2.5沒有安全阈值存在。

  對于黏液纖毛清除系統受損的人群，由于缺少了對空氣中(zhōng)緻病顆粒物(wù)的屏障與清除作用，其對心血管系統的危害更爲嚴重。

• 損傷心肌細胞線粒體(tǐ)

  歐美多所大(dà)學共同領導的一(yī)項研究發現，空氣污染納米顆粒可以進入人體(tǐ)心髒細胞中(zhōng)，對線粒體(tǐ)造成損害。線粒體(tǐ)是細胞中(zhōng)制造能量的細胞器，被稱爲細胞的發電(diàn)廠。心肌細胞中(zhōng)存在着豐富的線粒體(tǐ)，線粒體(tǐ)對于維持心髒功能具有至關重要的作用。空氣污染納米顆粒可導緻線粒體(tǐ)内活性氧的積累，進而導緻線粒體(tǐ)膨大(dà)、内膜非特異性孔道産生(shēng)等不良結果，從而加速線粒體(tǐ)凋亡。

• 直接阻斷心肌離(lí)子通道

  研究發現，細小(xiǎo)顆粒物(wù)的可溶性部分(fēn)能夠穿透氣血屏障直接進入循環到達心髒，嚴重影響心肌細胞膜的離(lí)子轉運功能；例如，顆粒物(wù)上所吸附的Ni²﹢、Co²﹢等過渡金屬離(lí)子可選擇性阻滞細胞膜上鈣離(lí)子通道；而顆粒物(wù)在高濃度下(xià)，還可非選擇性地阻滞或延遲恢複細胞膜鉀離(lí)子通道；心肌動作電(diàn)位失調，導緻心律失常發生(shēng)。 

呼吸系統的人工(gōng)替代
Artificial Substitutes for Respiratory System

生(shēng)理功能的人工(gōng)替代是現代醫學中(zhōng)極爲常見且有效的策略。

人類呼吸系統的人工(gōng)替代圍繞呼吸防護（傳導性氣道）與氣血交換（肺的呼吸部）兩大(dà)核心功能展開(kāi)，具體(tǐ)是指體(tǐ)外(wài)呼吸防護與體(tǐ)外(wài)膜肺氧合兩部分(fēn)。

體(tǐ)外(wài)膜肺氧合

ECMO相當于給肺“開(kāi)了外(wài)挂”，承擔起氣血交換的任務，使人體(tǐ)肺髒處于暫時休息狀态，ECMO并不能針對疾病本身給予治療，隻是一(yī)種挽救性的替代手段，爲引起急性呼吸衰竭或循環衰竭的原發疾病的治療赢得更多時間。在病情危重時，可被當做“救命的最後一(yī)個武器”，即便及時應用，ECMO的治愈率仍很低。

氣血交換功能的人工(gōng)替代

體(tǐ)外(wài)膜肺氧合(Extracorporeal Membrane Oxygenation, ECMO)，又(yòu)稱人工(gōng)氣血交換，通過一(yī)個外(wài)在的與人體(tǐ)循環連通的機器，仿生(shēng)肺髒攝取氧氣并排出二氧化碳的功能，設備昂貴，通常主機300萬/台左右，開(kāi)機費(fèi)6萬左右，每天使用費(fèi)3萬左右，雖然對呼吸衰竭患者治愈率很低且存有嚴重的并發症，如出血、感染、急性腎衰竭等，但因其能一(yī)定程度的替代肺髒氣血交換功能，仍不失爲偉大(dà)的創新。

通常呼吸防護功能下(xià)降或崩潰時才會發生(shēng)呼吸系統疾病，最終發展至呼吸衰竭而需要體(tǐ)外(wài)膜肺氧合，而呼吸衰竭發生(shēng)之前的任何階段，良好的呼吸防護都是氣血交換能夠順利進行的前提和保障！

呼吸防護功能的人工(gōng)替代

體(tǐ)外(wài)呼吸防護（Extracorporeal Respiratory Protection，ERP），又(yòu)稱人工(gōng)呼吸防護，是指通過外(wài)在的人工(gōng)呼吸環境系統，仿生(shēng)傳導性氣道黏液纖毛清除系統的基礎功能，充分(fēn)隔離(lí)空氣中(zhōng)的各種緻病顆粒物(wù)。目前比較理想的人工(gōng)呼吸防護系統是醫院的無菌病房。

而當傳導性氣道的呼吸防護功能下(xià)降或崩潰時，即使住進稀缺的無菌病房，其内部百級潔淨的空氣雖可保證不增加氣道微生(shēng)物(wù)負荷，但個體(tǐ)化需求的溫暖濕潤氣流及有助炎症消除的足量空氣負氧離(lí)子也無法提供。