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项目文章| Circulation,IF=23.054复旦大学重点实验室发表颗粒物暴露与应激激素水平试验研究

 

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、促肾上腺皮质激素释放激素[CRH]和促肾上腺皮质激素[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(肾上腺素和去甲肾上腺素)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)。肾上腺素的相应增加为1.20倍和5.37%(95%CI,3.30-7.48),去甲肾上腺素的相应增加为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(促肾上腺皮质激素释放激素)的浓度水平为28.03%(95%CI,1.82-61.00)、ACTH(促肾上腺皮质激素)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

 

图6 |(文章图4)血清中CRH(促肾上腺皮质激素释放激素)和ACTH(促肾上腺皮质激素)的变化:(A)使用真假净化器时;(B)PM2.5暴露每增加10μg/ m3

 

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,肾上腺皮质酮,肾上腺素,促肾上腺皮质激素释放激素显著上升,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-肾上腺轴和交感神经-肾上腺-髓质轴被激活。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。

 

小鹿推荐

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。

 

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部分参考文献

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1. Brook RD, Rajagopalan S, Pope CA 3rd, Brook JR, Bhatnagar A, Diez-Roux AV, Holguin F, Hong Y, Luepker RV, Mittleman MA, Peters A, Siscovick D, Smith SC Jr, Whitsel L, Kaufman JD; American Heart Association Council on Epidemiology and Prevention, Council on the Kidney in Cardiovascular Disease, and Council on Nutrition, Physical Activity and Metabolism. Particulate matter air pollution and cardiovascular disease: An update to the scientific statement from the American Heart Association. Circulation. 2010;121: 2331–2378.

2. Cai Y, Zhang B, Ke W, Feng B, Lin H, Xiao J, Zeng W, Li X, Tao J, Yang Z, Ma W, Liu T. Associations of short-term and long-term exposure to ambient air pollutants with hypertension: a systematic review and metaanalysis. Hypertension. 2016; 68:62–70.

3. Du Y, Xu X, Chu M, Guo Y, Wang J. Air particulate matter and cardiovascular disease: the epidemiological, biomedical and clinical evidence. J Thorac Dis. 2016;8: E8–E19.

4. Pope CA 3rd, Muhlestein JB, May HT, Renlund DG, Anderson JL, Horne BD. Is chemic heart disease events triggered by short-term exposure to fine particulate air pollution. Circulation. 2006;114: 2443–2448.

5. Li W, Wilker EH, Dorans KS, Rice MB, Schwartz J, Coull BA, Koutrakis P, Gold DR, Keaney JF Jr, Lin H, Vasan RS, Benjamin EJ, Mittleman MA. Short-term exposure to air pollution and biomarkers of oxidative stress: The Framingham Heart Study. J Am Heart Assoc. 2016;5:e002742.

6. Rückerl R, Hampel R, Breitner S, Cyrys J, Kraus U, Carter J, Dailey L, Devlin RB, Diaz-Sanchez D, Koenig W, Phipps R, Silbajoris R, Soentgen J, Soukup J, Peters A, Schneider A. Associations between ambient air pollution and blood markers of inflammation and coagulation/fibrinolysis in susceptible populations. Environ Int. 2014; 70:32–49.

7. Rich DQ, Kipen HM, Huang W, Wang G, Wang Y, Zhu P, Ohman-Strickland P, Hu M, Philipp C, Diehl SR, Lu SE, Tong J, Gong J, Thomas D, Zhu T, Zhang JJ. Association between changes in air pollution levels during the Beijing Olympics and biomarkers of inflammation and thrombosis in healthy young adults. JAMA. 2012; 307:2068–2078.

8. Lee MS, Eum KD, Rodrigues EG, Magari SR, Fang SC, Modest GA, Christiani DC. Effects of personal exposure to ambient fine particulate matter on acute change in nocturnal heart rate variability in subjects without overt heart disease. Am J Cardiol. 2016; 117:151–156.

9. Weichenthal S, Hatzopoulou M, Goldberg MS. Exposure to traffic-related air pollution during physical activity and acute changes in blood pressure, autonomic and micro-vascular function in women: a cross-over study. Part Fibre Toxicol. 2014; 11:70.  

10. Pope CA 3rd, Verrier RL, Lovett EG, Larson AC, Raizenne ME, Kanner RE, Schwartz J, Villegas GM, Gold DR, Dockery DW. Heart rate variability associated with particulate air pollution. Am Heart J. 1999;138(5 pt 1):890–899.

 

 

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