前言
 

鹿明生物合作客户-复旦大学重点实验室在Circulation杂志（IF=23.054）发表题为“颗粒物暴露与应激激素水平：随机、双盲、空气净化交叉试验”的研究论文，该研究报道了暴露在环境颗粒物下人体代谢物的变化情况，并对环境颗粒物（PM）对身体健康的不良影响做了深入探索。
 

基本信息
 

英文标题：Particulate Matter Exposure and Stress Hormone Levels：A Randomized, Double-Blind, Crossover Trial of Air Purification

中文标题：颗粒物暴露与应激激素水平：随机、双盲、空气净化交叉试验

材料：人血清

影响因子：23.054

发表期刊：Circulation

主要运用鹿明生物技术：GC-MS普筛，UPLC-MS普筛

研究背景
 

人体暴露于环境颗粒物（PM）会对健康造成损害，例如增加高血压、冠心病、中风和糖尿病的风险，但其潜在机制尚不清楚。作为一个强有力的研究方法，代谢组学技术特别适合环境对生命体全代谢组影响的研究。因此本文对暴露于不同程度PMs的大学生血清代谢物的变化进行了研究，以调查健康大学生在PMs暴露减少后血清代谢物的变化。
 

研究思路

图| 实验设计
 

实验方法
 

1. 实验分组
 

上海市60个健康大学生进行随机-双盲交叉实验。将真和假空气净化器以随机顺序放在测试者的宿舍9天，34个测试者使用了真净化器、其中31人完成实验并进行第一次健康评估，26个志愿者使用了假净化器、其中24人完成实验并进行第一次健康评估。在12天的清洗期后，将真假净化器进行交换，并随后进行第二次健康评估及代谢组学实验。
 

图1| 空气净化随机，双盲和交叉试验的流程图

2. 检测方法
 

（1） 血清代谢组学实验：GC-MS非靶标分析、UPLC-MS非靶标分析；

（2）生物标志物检测：4种氧化应激生物标志物（尿8-羟基-2-脱氧鸟嘌呤、血清丙二醛、异前列腺素F2α和超氧化物歧化酶），这些生物标志物反映了DNA氧化损伤（8-羟基-2-脱氧鸟嘌呤），脂质过氧化（丙二醛和异前列腺素F2α）或抗氧化能力（超氧化物歧化酶）；6种全身炎症血清生物标志物（可溶性CD40配体、高敏C反应蛋白、白细胞介素-1β、白细胞介素-6，肿瘤坏死因子-α和细胞间粘附分子-1）；3种激素（胰岛素、皮质激素释放激素[CRH]和促皮质激素[ACTH]）。

（3）评估胰岛素抵抗指标：胰岛素抵抗的稳态模型评估=空腹血糖（mg / dL）×胰岛素（mU / L）/ 405。

（4) 数据处理：正交偏最小二乘判别分析和混合效应模型。
 

结果分析
 

1. 测试者基本情况和PMs暴露实验
 

表1 上海市55个大学生的身体指标

表2 使用真、假空气净化器的环境指标

2.血清中代谢物的检测
 

使用GC-MS和UPLC-MS两个代谢平台从110个血清样品中共检测出2213个峰。使用OPLS-DA模型，显示了使用真、假净化器的志愿者血清代谢物有明显差异（图2-补充数据）。且交叉验证和置换测试结果均表示模型可靠。一共鉴定出97种代谢物，包括应激激素、葡萄糖、氨基酸、脂肪酸和脂质。敏感性分析显示实验结果在调整宿舍后是稳健的，并且固定效应期限不明显，表明没有周期效应。相互作用分析显示PM2.5与不同性别志愿者体内的5种代谢物有显著的相互作用（图3-补充数据）。

图2 |（补充数据）OPLS-DA Score图（A）GC-MS（B）UPLC-MS

图3 |（补充数据）5种与PM2.5和志愿者性别相关性强的代谢物

3. 血清应激激素与PM2.5暴露的关系
 

在97种代谢物中，作者在血清中发现较高水平的糖皮质激素（可的松和皮质醇）、儿茶酚胺和褪黑激素与较高的PM2.5相关（表3）。例如在空气净化过程中，皮质醇和可的松水平分别高1.33倍和1.18倍。PM2.5暴露水平每增加10μg/ m3，皮质醇增加7.79％（95％置信区间[CI]，4.75-10.91），可的松增加3.76％（95％CI，1.84-5.71）。相应增加为1.20倍和5.37％（95％CI，3.30-7.48），相应增加为1.57倍和11.70％（95％CI，7.36-16.22）。苯丙氨酸，酪氨酸和四氢蝶啶增加趋势相似，它们是儿茶酚胺合成中的关键氨基酸前体和酶辅因子，以及神经递质褪黑激素及其前体色氨酸，血清素和N-乙酰血清素（图4）。

表3 在使用真假净化器或PM2.5暴露增加（每10μg/ m3）时糖皮质激素、儿茶酚胺和褪黑激素合成的变化
 

图4 |（文章图2）PM2.5暴露和儿茶酚胺和褪黑激素的合成增加

4.与PM2.5暴露相关的葡萄糖、氨基酸和脂质代谢
 

在血清中，PM2.5暴露与参与葡萄糖、氨基酸和脂质代谢的代谢物密切相关。在使用假净化器期间，血清中葡萄糖和葡萄糖6-磷酸与PM2.5暴露相关。对于10种氨基酸（精氨酸、亮氨酸、组氨酸、苏氨酸、丝氨酸、谷氨酰胺、赖氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸）以及氨基酸代谢的衍生物或中间产物来说，它们与PM2.5暴露的相关性也非常明显。对脂肪酸氧化中涉及的游离脂肪酸和代谢物进行观察发现，包括肉碱、酰基肉碱、羟基脂肪酸和丙酮、以及膜磷脂及其水解产物、溶血脂和2类二十烷酸，随着PM2.5暴露的增加而增加。最后还发现12种其他代谢物（包括嘌呤和嘧啶），与PM2.5暴露相关。
 

5.与PM2.5暴露有关的血压和生物标志物

作者发现较高的血压与较高的PM2.5暴露相关（图5）。与使用真净化器相比，使用假净化器过程中测试者的SBP（收缩压）升高2.61％（95％CI，0.39-4.79），PM2.5暴露每增加10μg/ m3时，SBP也相应增加;对于DBP（舒张压）和脉压，也观察到类似的变化。作者发现在使用真净化器期间，SBP和DBP均显著降低，但在假净化过程中没有。

在真假净化期间，血清中CRH的浓度水平为28.03％（95％CI，1.82-61.00）、ACTH为6.71％（95％CI，0.51-12.53）（图6）。然而当在混合效应模型中将PM2.5作为连续变量进行分析时，该关联对于CRH仅具有统计学显著性，PM2.5浓度每增加10μg/m3，CRH增加6.96％（95％CI，0.01-13.96）。

此外作者还发现氧化应激生物标志物（即8-羟基-2-脱氧鸟嘌呤丙二醛、异前列腺素F2α和超氧化物歧化酶）和炎症（即可溶性CD40配体，白细胞介素-1β和C反应蛋白）存在显著差异。最后使用假净化器过程中，胰岛素抵抗的胰岛素、葡萄糖和稳态模型评估的水平显著升高，并且除胰岛素外，它们还与PM2.5持续暴露有关。
 

图5 |（文章图3）测试者血压的变化

（A）使用真假净化器时；（B）PM2.5暴露每增加10μg/ m3时
 

图6 |（文章图4）血清中CRH和ACTH的变化：（A）使用真假净化器时；（B）PM2.5暴露每增加10μg/ m3时

6. 小结
 

研究显示PM2.5为24.3μg/m3和53.1μg /m3的两种状态下，后者测试者的血清中皮质醇释放激素显著上升，同时葡萄糖、氨基酸、脂肪酸和脂质组成都有不同程度的变化。此外研究也发现PM会造成高血压，激素紊乱，胰岛素抵抗等现象。研究为PM的危害提供了更直接的研究数据，为相应的诊断提供了潜在的候选标志物。
 

实验结论
 

作者首次对颗粒空气污染进行代谢组学分析的随机、双盲、交叉试验，以探索颗粒物质（PM）暴露对健康不良影响的生物学机制。

分析表明较高的PM暴露导致血清应激激素水平显著增加，作者观察到糖皮质激素、ACTH和CRH与高PM暴露相关，表明下丘脑-垂体被激活。它们的激活可能对心血管有不良影响和相应代谢组影响。另外作者还观察到葡萄糖、氨基酸和脂质的变化与PM暴露水平的变化相关。

借助这些新发现，作者阐述了与PM2.5暴露相关的对健康有不良影响的潜在机制。表明在中国，室内空气净化是减少个人接触PM的实用方法。

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文章研究内容非常贴切现实生活也关系民生。采用测试对象均为上海市大学生，PM2.5检测地区为上海市复旦大学。研究结果对中国大城市的年轻人意义深远，也是首次从代谢组学角度研究PMs的案例。文章采用双盲、随机设计，同时结合GC-MS代谢检测平台和UPLC-MS检测平台，血清代谢物的检测覆盖度得到保障，后续大数据的统计分析采用OPLS-DA，直观明确。通过数据挖掘，文章找出了PMs诱发亚健康的分子机制，也发现与高血压等相关症状的分子标志物，研究体系非常完整。
 

 

END
文章来源于鹿明生物