前言

2022年4月，鹿明生物合作客戶中國醫(yī)學科學院醫(yī)藥生物技術(shù)研究所李亮課題組在Environmental Pollution期刊發(fā)表了題為“Potential urinary biomarkers in young adults with short-term exposure to particulate matter and bioaerosols identified using an unbiased metabolomic approach”的研究成果，通過LC-MS+GC-MS雙平臺代謝組學研究方法，發(fā)現(xiàn)了空氣中顆粒物和生物氣溶膠暴露有關(guān)的尿液生物標志物，并揭示了循環(huán)暴露于清潔和污染空氣環(huán)境的年輕健康人的尿液代謝特征的動態(tài)變化。鹿明生物技術(shù)支持及生信分析同事為該文章做出相應(yīng)貢獻，為署名作者。

中文標題：使用無偏差代謝組學方法鑒定短期暴露于顆粒物和微生物氣溶膠中的青年人尿液生物標志物

研究對象：年輕健康志愿者

發(fā)表期刊：Environmental Pollution

影響因子：8.071

發(fā)表時間：2022年4月17日

合作單位：中國醫(yī)學科學院醫(yī)藥生物技術(shù)研究所衛(wèi)計委抗生素生物工程重點實驗室、中國中醫(yī)科學院廣安門醫(yī)院

運用生物技術(shù)：LC-MS代謝組學、GC-MS代謝組學(由鹿明生物提供技術(shù)支持)

研究背景

大量流行病學研究表明，室外空氣污染與癌癥、感染和心肺疾病風險的增加之間存在密切關(guān)系。然而，很少有研究同時觀察空氣中的顆粒物（PM）和生物氣溶膠通過傳染因子的傳播對健康的潛在影響，特別是在當前新型冠狀病毒病大流行的情況下——2020年3月，世界衛(wèi)生組織（WHO）宣布COVID-19爆發(fā)為大流行病，病原體可通過咳嗽、打噴嚏和接觸感染者或物體產(chǎn)生的氣溶膠飛沫快速傳播。同時接觸空氣中的PM和生物氣溶膠會增加SARS-CoV-2傳播和COVID-19爆發(fā)的風險。

本研究旨在使用LC-MS+GC-MS雙平臺代謝組學研究方法探索 92 名年輕健康個體的尿液代謝組學特征，并確定與短期共暴露相關(guān)的潛在生物標志物。

研究思路

研究結(jié)果

健康參與者的臨床特征及樣品采集

100 名健康參與者（男性和女性各50名）中，92 名參與者（44 名女性和 48 名男性）完成了這項研究。在夏季（50 名受試者）和冬季（42 名受試者）分為兩個亞組進行尿液樣本收集。共采集5個時間點樣品：暴露于清潔空氣（C），第一次暴露于污染空氣（Po1），第一次暴露于凈化空氣（Pu1），再暴露于污染空氣（Po2），再暴露于凈化空氣（Pu2）。

圖1 | 健康參與者樣本的綜合代謝組學分析流程圖

空氣中 PM 和生物氣溶膠共同暴露的尿液代謝組學特征

采用LC-MS+GC-MS雙平臺代謝組學方法對尿液樣品進行分析，其中GC-MS檢測102種代謝物，LC-MS檢測到1271種。作者通過使用亞組來分析差異代謝物是否具有性別或季節(jié)性，結(jié)果表明性別和季節(jié)對本研究的結(jié)果沒有明顯的混雜影響。差異分析表明，Pu1 和 Po1 之間的差異代謝物數(shù)量大于 Po1 和 C 之間的差異，LC-MS分析比GC-MS分析檢測到更多的差異代謝物，體現(xiàn)出不同平臺的檢測特點。

PM 暴露相關(guān)的尿液生物標志物分析

為了確定尿液中與空氣污染PM暴露相關(guān)的代謝生物標志物，使用綜合分析獲得候選差異代謝物，其中C-Po1 和 Po1-Pu1 比較中的重疊差異代謝物作為短期PM暴露相關(guān)標志物，確定了33種與短期暴露于空氣污染相關(guān)的差異代謝物，包括8種脂質(zhì)、6種核酸、7種氨基酸及其衍生物、3種葡萄糖和9種其他代謝物。KEGG通路分析表明，顯著富集到5種代謝通路，與免疫、炎癥、人類的環(huán)境壓力、缺血和缺氧有關(guān)。

其中鞘脂代謝是最重要的 PM 相關(guān)途徑，可調(diào)節(jié)對免疫、炎癥、炎癥性疾病和癌癥很重要的多種細胞過程。

圖2 | C-Po1比較組 和 Po1-Pu1 比較組中的重疊的差異代謝物為短期PM暴露相關(guān)差異標志物。Po1-Pu1組的差異代謝物再排除重疊的部分（PM相關(guān)差異標志物）后，剩余的差異代謝物被認為是生物氣溶膠相關(guān)差異標志物。

對PM 相關(guān)差異標志物進行時間序列分析，33 個差異標志物中的 30 個（90.0%）具有自上而下的特征。表明在空氣再污染和空氣再凈化循環(huán)期間發(fā)生的變化較少，這可能是由于 PPM 口罩的高效率，它消除了 PM2.5/生物氣溶膠并保持了它們對 Pu1 后代謝物譜的影響。其中16-脫氫孕酮表現(xiàn)出敏感的up-low-up-low-up 變化模式，可用于診斷 PM 相關(guān)疾病的候選生物標志物。

圖3 | 33種PM暴露相關(guān)的差異代謝物KEGG通路分析（上）和時序分析（下）

生物氣溶膠相關(guān)的尿液生物標志物

Po1-Pu1 組中的差異代謝物在排除重疊的PM相關(guān)差異物后，剩余的被認為是生物氣溶膠相關(guān)差異標志物（圖2）。識別到155種短期生物氣溶膠暴露相關(guān)的差異標志物，這比 PM 相關(guān)差異代謝物的數(shù)量多五倍以上，包括18種葡萄糖、32種氨基酸、34種脂質(zhì)和20種核酸以及其他產(chǎn)物。一些差異標志物與癌癥、炎癥、免疫反應(yīng)和細菌活動有關(guān)，或顯示出潛在的抗生物膜和抗菌生物功能，這意味著空氣中的生物氣溶膠對人類健康具有重要影響。

KEGG通路分析顯示，有38條通路顯著富集，前三種途徑包括可卡因成癮、谷氨酸能突觸和類固醇激素生物合成。時間序列分析表明，137/155（88.4%）種差異標志物呈現(xiàn)出一種高-高-低特征的動態(tài)變化模式，這些差異物在 C 和 Po1 條件下具有相對較高的水平，并且在 Pu1 中顯著降低。其中4-羥基苯乙醇呈現(xiàn)出敏感的 up-up-low-up-low 模式，其具有作為生物氣溶膠相關(guān)生物標志物的潛力。

圖4 | 155種生物氣溶膠相關(guān)的差異代謝物KEGG通路分析（上）和時序分析（下）

研究結(jié)論

本研究通過LC-MS和GC-MS雙平臺代謝組學研究方法，對92例樣品5個時間點的尿液樣品進行分析，分別找到了33種和155種與PM和生物氣溶膠相關(guān)的差異標志物，結(jié)果揭示了年輕健康人在五個不同時間點的尿液代謝譜的動態(tài)變化，采用KEGG通路富集分析和時間序列分析確定了與短期共同暴露于空氣中 PM 和生物氣溶膠相關(guān)的幾種潛在代謝物生物標志物，發(fā)現(xiàn)短期高濃度暴露于 PM 可能會導致代謝改變并降低應(yīng)激激素水平，這可能是與下丘腦-垂體-腎上腺和交感-腎上腺-髓質(zhì)軸的激活有關(guān)；而生物氣溶膠劑則通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)對病理性成癮有重要作用。其中尿液中的16-脫氫孕酮可能是PM暴露的潛在生物標志物；4-羥基苯乙醇可能是生物氣溶膠的潛在生物標志物，可用于分別預測或診斷PM或生物氣溶膠相關(guān)疾病。

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