双平台代谢组学探究短期暴露于颗粒物和生物气溶胶尿液生物标志物

前言

2022年4月，鹿明生物合作客户中国医学科学院医药生物技术研究所李亮课题组在Environmental Pollution期刊发表了题为“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，通过LC-MS+GC-MS双平台代谢组学研究方法，发现了空气中颗粒物和生物气溶胶暴露有关的尿液生物标志物，并揭示了循环暴露于清洁和污染空气环境的年轻健康人的尿液代谢特征的动态变化。鹿明生物技术支持及生信分析同事为该文章做出相应贡献，为署名作者。

中文标题：使用无偏差代谢组学方法鉴定短期暴露于颗粒物和微生物气溶胶中的青年人尿液生物标志物

研究对象：年轻健康志愿者

发表期刊：Environmental Pollution

影响因子：8.071

发表时间：2022年4月17日

合作单位：中国医学科学院医药生物技术研究所卫计委抗生素生物工程重点实验室、中国中医科学院广安门医院

运用生物技术：LC-MS代谢组学、GC-MS代谢组学(由鹿明生物提供技术支持)

研究背景

大量流行病学研究表明，室外空气污染与癌症、感染和心肺疾病风险的增加之间存在密切关系。然而，很少有研究同时观察空气中的颗粒物（PM）和生物气溶胶通过传染因子的传播对健康的潜在影响，特别是在当前新型冠状病毒病大流行的情况下——2020年3月，世界卫生组织（WHO）宣布COVID-19爆发为大流行病，病原体可通过咳嗽、打喷嚏和接触感染者或物体产生的气溶胶飞沫快速传播。同时接触空气中的PM和生物气溶胶会增加SARS-CoV-2传播和COVID-19爆发的风险。

本研究旨在使用LC-MS+GC-MS双平台代谢组学研究方法探索 92 名年轻健康个体的尿液代谢组学特征，并确定与短期共暴露相关的潜在生物标志物。

研究思路

研究结果

健康参与者的临床特征及样品采集

100 名健康参与者（男性和女性各50名）中，92 名参与者（44 名女性和 48 名男性）完成了这项研究。在夏季（50 名受试者）和冬季（42 名受试者）分为两个亚组进行尿液样本收集。共采集5个时间点样品：暴露于清洁空气（C），第一次暴露于污染空气（Po1），第一次暴露于净化空气（Pu1），再暴露于污染空气（Po2），再暴露于净化空气（Pu2）。

图1 | 健康参与者样本的综合代谢组学分析流程图

空气中 PM 和生物气溶胶共同暴露的尿液代谢组学特征

采用LC-MS+GC-MS双平台代谢组学方法对尿液样品进行分析，其中GC-MS检测102种代谢物，LC-MS检测到1271种。作者通过使用亚组来分析差异代谢物是否具有性别或季节性，结果表明性别和季节对本研究的结果没有明显的混杂影响。差异分析表明，Pu1 和 Po1 之间的差异代谢物数量大于 Po1 和 C 之间的差异，LC-MS分析比GC-MS分析检测到更多的差异代谢物，体现出不同平台的检测特点。

PM 暴露相关的尿液生物标志物分析

为了确定尿液中与空气污染PM暴露相关的代谢生物标志物，使用综合分析获得候选差异代谢物，其中C-Po1 和 Po1-Pu1 比较中的重叠差异代谢物作为短期PM暴露相关标志物，确定了33种与短期暴露于空气污染相关的差异代谢物，包括8种脂质、6种核酸、7种氨基酸及其衍生物、3种葡萄糖和9种其他代谢物。KEGG通路分析表明，显著富集到5种代谢通路，与免疫、炎症、人类的环境压力、缺血和缺氧有关。

其中鞘脂代谢是最重要的 PM 相关途径，可调节对免疫、炎症、炎症性疾病和癌症很重要的多种细胞过程。

图2 | C-Po1比较组 和 Po1-Pu1 比较组中的重叠的差异代谢物为短期PM暴露相关差异标志物。Po1-Pu1组的差异代谢物再排除重叠的部分（PM相关差异标志物）后，剩余的差异代谢物被认为是生物气溶胶相关差异标志物。

对PM 相关差异标志物进行时间序列分析，33 个差异标志物中的 30 个（90.0%）具有自上而下的特征。表明在空气再污染和空气再净化循环期间发生的变化较少，这可能是由于 PPM 口罩的高效率，它消除了 PM2.5/生物气溶胶并保持了它们对 Pu1 后代谢物谱的影响。其中16-脱氢孕酮表现出敏感的up-low-up-low-up 变化模式，可用于诊断 PM 相关疾病的候选生物标志物。

图3 | 33种PM暴露相关的差异代谢物KEGG通路分析（上）和时序分析（下）

生物气溶胶相关的尿液生物标志物

Po1-Pu1 组中的差异代谢物在排除重叠的PM相关差异物后，剩余的被认为是生物气溶胶相关差异标志物（图2）。识别到155种短期生物气溶胶暴露相关的差异标志物，这比 PM 相关差异代谢物的数量多五倍以上，包括18种葡萄糖、32种氨基酸、34种脂质和20种核酸以及其他产物。一些差异标志物与癌症、炎症、免疫反应和细菌活动有关，或显示出潜在的抗生物膜和抗菌生物功能，这意味着空气中的生物气溶胶对人类健康具有重要影响。

KEGG通路分析显示，有38条通路显著富集，前三种途径包括可卡因成瘾、谷氨酸能突触和类固醇激素生物合成。时间序列分析表明，137/155（88.4%）种差异标志物呈现出一种高-高-低特征的动态变化模式，这些差异物在 C 和 Po1 条件下具有相对较高的水平，并且在 Pu1 中显著降低。其中4-羟基苯乙醇呈现出敏感的 up-up-low-up-low 模式，其具有作为生物气溶胶相关生物标志物的潜力。

图4 | 155种生物气溶胶相关的差异代谢物KEGG通路分析（上）和时序分析（下）

研究结论

本研究通过LC-MS和GC-MS双平台代谢组学研究方法，对92例样品5个时间点的尿液样品进行分析，分别找到了33种和155种与PM和生物气溶胶相关的差异标志物，结果揭示了年轻健康人在五个不同时间点的尿液代谢谱的动态变化，采用KEGG通路富集分析和时间序列分析确定了与短期共同暴露于空气中 PM 和生物气溶胶相关的几种潜在代谢物生物标志物，发现短期高浓度暴露于 PM 可能会导致代谢改变并降低应激激素水平，这可能是与下丘脑-垂体-肾上腺和交感-肾上腺-髓质轴的激活有关；而生物气溶胶剂则通过中枢神经系统对病理性成瘾有重要作用。其中尿液中的16-脱氢孕酮可能是PM暴露的潜在生物标志物；4-羟基苯乙醇可能是生物气溶胶的潜在生物标志物，可用于分别预测或诊断PM或生物气溶胶相关疾病。

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