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Circulation |IF=23.054复旦大学重点实验室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

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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

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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。
 

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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

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表2 使用真、假空气净化器的环境指标

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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)。

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

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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
 

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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。
 

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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
 

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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。
 

 

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文章来源于鹿明生物

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