基于代謝組學(xué)的PM2.5對(duì)代謝途徑影響的研究進(jìn)展*

李經(jīng)歷，劉玲靜，陳成水

（溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科，浙江溫州325000）

細(xì)顆粒物（fine particulate matter/particulate mat?ter 2.5，PM2.5）作為普遍存在的空氣污染物之一，是影響人類健康的重要危險(xiǎn)因素［1］。PM2.5體積小，表面積大，易吸附重金屬、多環(huán)芳烴、微生物等有毒有害成分，對(duì)人體造成危害，引起了人們極大關(guān)注［2］。許多流行病學(xué)研究都表明PM2.5會(huì)增加人類患各種疾病的風(fēng)險(xiǎn)，包括心血管疾?。?］、呼吸系統(tǒng)疾病［4］、早產(chǎn)和低出生體重［4］、糖尿病［5］、神經(jīng)毒性［6］和腎功能損害［7］等。據(jù)報(bào)道，環(huán)境顆粒物是2017 年全球疾病負(fù)擔(dān)的十大風(fēng)險(xiǎn)之一［8］。然而，其潛在的生物機(jī)制尚未完全被闡明。

代謝組學(xué)是一個(gè)新興研究領(lǐng)域，通過分析生物樣品中的小分子代謝物來揭示生命系統(tǒng)因病理狀態(tài)或外界刺激引起的各種代謝特征變化［9］。目前，代謝組學(xué)可以通過分析代謝物水平變化來確定發(fā)病機(jī)制中涉及的代謝途徑，以及識(shí)別相關(guān)的生物標(biāo)志物，用于診斷和開發(fā)疾病治療方法。值得注意的是，許多基于代謝組學(xué)的研究表明PM2.5暴露引起的病理生理變化可能涉及各種代謝物和代謝途徑。這些研究提示PM2.5對(duì)血液、尿液、肺臟、心臟及肝臟等部位的代謝組具有顯著影響，有助于理解PM2.5暴露對(duì)機(jī)體的毒性作用，也證明了代謝組學(xué)在PM2.5毒理學(xué)研究中的應(yīng)用價(jià)值［10-14］。本文對(duì)使用代謝組學(xué)技術(shù)進(jìn)行PM2.5對(duì)機(jī)體代謝途徑影響的研究進(jìn)展做一簡(jiǎn)要綜述。

1 氨基酸代謝

Zhang 等［11］使用高分辨率1H 核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）為基礎(chǔ)的代謝組學(xué)方法來檢查氣管內(nèi)滴注PM2.5后大鼠的血清代謝變化，發(fā)現(xiàn)PM2.5暴露組大鼠的血清中二甲基甘氨酸、甘氨酸、肌酸和異硫氰酸顯著減少，這4 種代謝物與甘氨酸密切相關(guān)，提示PM2.5暴露的大鼠中甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝可能被抑制。甘氨酸是一種非必需氨基酸，但長(zhǎng)期短缺可能會(huì)影響營(yíng)養(yǎng)代謝和免疫反應(yīng)［15］。此外，甘氨酸在抗氧化反應(yīng)中起著重要作用，是谷胱甘肽（glutathione，GSH）的一個(gè)組成部分，當(dāng)肝臟發(fā)生損傷時(shí)，它可以促進(jìn)GSH 的合成［16］。作為體內(nèi)的自由基清除劑，GSH 不僅抑制酶催化作用過程中自由基的形成，而且還直接與自由基反應(yīng)，將它們轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的分子［17］。甘氨酸水平降低表明PM2.5暴露大鼠的抗氧化能力較弱，這與之前報(bào)道的PM2.5可誘導(dǎo)GSH水平降低的氧化應(yīng)激相一致［18］。然而，Wang等［13］用 氣 相 色 譜 -質(zhì) 譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）檢測(cè)PM2.5暴露后小鼠肝組織時(shí)發(fā)現(xiàn)，葡萄糖酸、甘氨酸和谷氨酰胺的代謝物水平顯著增加，他們認(rèn)為小鼠在PM2.5暴露后會(huì)啟動(dòng)谷胱甘肽代謝，以去除PM2.5衍生的自由基和次級(jí)代謝產(chǎn)物。不同的檢測(cè)方法和檢測(cè)標(biāo)本可能是導(dǎo)致結(jié)果相反的原因，也可能是因?yàn)镻M2.5暴露后谷胱甘肽代謝是動(dòng)態(tài)變化的，即在PM2.5暴露早期，體內(nèi)谷胱甘肽代謝會(huì)增強(qiáng)，而在暴露后期谷胱甘肽代謝則會(huì)被抑制。

一些研究顯示，在PM2.5暴露后的小鼠的血清［14］、肺臟［19］和肝臟［13］中，纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸水平均較正常對(duì)照組增高。這3 種氨基酸是必需氨基酸，也被稱為支鏈氨基酸，主要參與能量代謝，對(duì)人體至關(guān)重要。支鏈氨基酸通過支鏈氨基轉(zhuǎn)移酶的催化，脫掉氨基轉(zhuǎn)化為支鏈α-酮酸（亮氨酸轉(zhuǎn)化為α-酮異己酸鹽，脯氨酸轉(zhuǎn)化為α-酮異戊酸，異亮氨酸轉(zhuǎn)化為α-酮基-β-甲基戊酸）；隨后，這些支鏈α-酮酸被支鏈α-酮酸脫氫酶脫羧；然后將這些支鏈氨基酸代謝物通過一系列酶促反應(yīng)分解成最終產(chǎn)物［亮氨酸降解為乙酰輔酶A（coenzyme A，CoA），纈氨酸降解為琥珀酰CoA，異亮氨酸降解為乙酰CoA 和琥珀酰CoA］，最終進(jìn)入三羧酸（tricarboxylic acid，TCA）循環(huán)。因此，這種現(xiàn)象可能是因?yàn)镻M2.5暴露增加了小鼠的能量消耗，加速了TCA 循環(huán)，使支鏈氨基酸在體內(nèi)富集；此外，也可能是PM2.5暴露抑制了支鏈氨基酸在小鼠體內(nèi)的生物利用。

在其他研究中，還發(fā)現(xiàn)PM2.5暴露可導(dǎo)致丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝途徑［14］以及苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成途徑［19］的異常。

2 碳水化合物代謝

TCA 循環(huán)是有氧代謝的核心，為身體的正常活動(dòng)提供能量，也是三大營(yíng)養(yǎng)素（葡萄糖、脂肪和氨基酸）的最終代謝途徑。一些研究顯示，PM2.5暴露可導(dǎo)致TCA 循環(huán)異常。在暴露于PM2.5的動(dòng)物體內(nèi)，包括血清［10］、尿液［11］、心臟［12］及肺臟［14］等不同的檢測(cè)標(biāo)本中，可發(fā)現(xiàn)檸檬酸含量的增加。Wang 等［13-14］還發(fā)現(xiàn)PM2.5暴露組的小鼠肝臟和肺臟中富馬酸水平下降。這表明PM2.5暴露會(huì)觸發(fā)補(bǔ)償機(jī)制，加速TCA 循環(huán)來抵消受損組織傷口愈合所需的能量消耗。有研究顯示，與鎘暴露相關(guān)的尿檸檬酸鹽水平的增加是由鎘誘導(dǎo)的腎小管毒性影響腎臟的檸檬酸鹽處理導(dǎo)致的［20］。而 PM2.5含有大量重金屬，其中鉛、鉻和鎘可誘導(dǎo)腎毒性。這與Hansen 等［5］的研究結(jié)果一致，他們發(fā)現(xiàn)老年男性長(zhǎng)期接觸PM2.5會(huì)使腎功能受損。

先前一項(xiàng)研究［21］發(fā)現(xiàn)，在肥胖和糖尿病動(dòng)物中檸檬酸鹽水平增加。據(jù)報(bào)道，暴露于大氣污染顆粒會(huì)增加胰島素抵抗，并且在PM2.5處理的小鼠中證實(shí)了這一點(diǎn)［22］。因此Zhang 等［11］發(fā)現(xiàn)的PM2.5暴露動(dòng)物中糖酵解下調(diào)和糖異生上調(diào)可能跟胰島素抵抗有關(guān)。他們發(fā)現(xiàn)PM2.5暴露的大鼠血清和尿液中乳酸及丙氨酸水平均下降，其中乳酸是無氧呼吸的指標(biāo)，而丙氨酸可以在糖異生中轉(zhuǎn)氨基成丙酮酸，這兩種代謝物的減少說明大鼠體內(nèi)無氧糖酵解的弱化及糖異生的增強(qiáng)。

此外，乙醛酸和二羧酸代謝［11］、乳糖代謝及淀粉和蔗糖代謝［13］等其他碳水化合物代謝也受到PM2.5影響。

3 脂質(zhì)代謝

代謝組學(xué)的相關(guān)研究也表明PM2.5暴露可以影響甘油磷脂代謝途徑。甘油磷脂是各種生物膜的重要成分，是維持細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境和調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)交換的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，當(dāng)肺組織出現(xiàn)炎癥反應(yīng)時(shí)，磷脂會(huì)水解成溶血磷脂，包括溶血卵磷脂、溶血脂酰甘油和溶血磷脂酰乙醇胺。Wang 等［26］采用液相色譜-質(zhì)譜（liquid chromatography-mass spectrometry，LC-MS）平臺(tái)對(duì)暴露于PM2.5的大鼠肺組織進(jìn)行代謝組學(xué)分析，結(jié)果提示甘油磷脂代謝紊亂，其中卵磷脂減少而溶血卵磷脂增多。Zhao 等［10］的研究卻顯示，在 PM2.5暴露后可見到卵磷脂、溶血卵磷脂以及溶血磷脂酰乙醇胺的顯著減少。而在另一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，PM2.5暴露后肺泡灌洗液中卵磷脂和溶血卵磷脂顯著增加。對(duì)此現(xiàn)象，Zhang等［24］認(rèn)為是因?yàn)榉螕p傷處于不同階段：在肺損傷的早期階段，卵磷脂和溶血卵磷脂水平的升高是對(duì)PM2.5刺激的反應(yīng)；但在晚期階段，由于失代償，卵磷脂和溶血卵磷脂水平可能會(huì)降低。這些研究提示在PM2.5誘導(dǎo)的肺損傷不同階段，肺部脂質(zhì)代謝處于動(dòng)態(tài)變化中。甘油磷脂不僅是各種生物膜的重要成分，也是兩種重要炎癥反應(yīng)介質(zhì)（前列腺素和白三烯）的前體，這也說明PM2.5暴露可能會(huì)影響肺細(xì)胞膜完整性，誘導(dǎo)促炎反應(yīng)，并導(dǎo)致潛在的肺部疾?。?5］。

鞘脂是細(xì)胞膜的另一重要成分，占總膜脂質(zhì)的10%～15%，有研究表明，磷脂和鞘脂代謝物參與了肺泡Ⅱ型細(xì)胞的炎癥［26］。鞘氨醇和鞘磷脂是鞘脂的主要部分，并在細(xì)胞氧化應(yīng)激反應(yīng)中起關(guān)鍵作用。Wang 等［23］觀察到 PM2.5暴露組中鞘氨醇和鞘磷脂水平顯著降低，而在Xu 等［27］的研究中則發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期暴露于PM2.5顯著增加鞘脂的循環(huán)代謝物，包括鞘磷脂、神經(jīng)酰胺和硫酸肌醇。值得注意的是，炎癥反應(yīng)被認(rèn)為是PM2.5暴露所致病理生理學(xué)的核心［28］。因此通過代謝組學(xué)證明PM2.5暴露可以通過影響鞘脂代謝，從而調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)，這與其他研究結(jié)果一致。

PM2.5暴露小鼠的心臟中不飽和脂肪酸花生四烯酸降低，飽和脂肪酸月桂酸、壬二酸壬酸和戊二酸增加，表明PM2.5引起心臟脂肪酸代謝異常［12］。據(jù)報(bào)道，月桂酸是甘油三酯的主要成分；而花生四烯酸是一種必需脂肪酸，可降低血清總膽固醇和低密度脂蛋白水平［29］。這些結(jié)果提示PM2.5可能會(huì)誘發(fā)心血管疾病。

此外，PM2.5處理的小鼠血清中乙酰乙酸和3-羥基丁酸水平升高［19］。乙酰乙酸和3-羥基丁酸是酮體，當(dāng)血糖降低時(shí)，它們可以通過脂肪酸氧化產(chǎn)生能量為大腦供能，從而為中樞神經(jīng)系統(tǒng)提供保護(hù)作用。暴露于生物柴油廢氣后，人肺泡灌洗液中3-羥基丁酸的含量增加［30］。3-羥基丁酸和乙酰乙酸水平升高表明PM2.5暴露后會(huì)導(dǎo)致機(jī)體能量缺乏并出現(xiàn)酮體氧化以產(chǎn)生能量。

4 核苷酸代謝

PM2.5還會(huì)引起異常的核苷酸代謝。在肺組織中發(fā)現(xiàn)一些嘌呤堿基及其代謝物（鳥嘌呤、腺苷、脫氧肌苷和次黃嘌呤）水平上調(diào)［23］，而在肝臟代謝物中尿酸和肌苷含量顯著增加［13］，這表明PM2.5暴露可刺激嘌呤代謝。嘌呤代謝通過黃嘌呤氧化酶途徑產(chǎn)生氧自由基，因此PM2.5暴露可能通過嘌呤代謝引起組織的氧化應(yīng)激損傷。據(jù)報(bào)道，嘌呤代謝紊亂與肺功能呈負(fù)相關(guān)［31］，而次黃嘌呤和腺苷與慢性阻塞性肺病的中性粒細(xì)胞炎癥有關(guān)［32］。在心臟中發(fā)現(xiàn)的核糖5-磷酸、腺嘌呤和腺苷增加以及尿苷水平降低也證明PM2.5會(huì)引起該部位核苷酸代謝的異常變化［12］。核糖5-磷酸是核苷酸生物合成中形成核糖環(huán)的關(guān)鍵代謝前體，而腺苷是由與核糖分子連接的腺嘌呤分子組成的嘌呤核苷。腺嘌呤和腺苷衍生物在三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）的形成中起關(guān)鍵作用。增多的核糖5-磷酸、腺嘌呤和腺苷可能是ATP 池的代償機(jī)制。另外，尿苷可以穩(wěn)定心臟能量代謝，保護(hù)心臟免受抗氧化系統(tǒng)功能障礙的影響，阻止脂質(zhì)過氧化過度激活［33］。這也再次證明PM2.5可能會(huì)影響心血管系統(tǒng)。

5 其他代謝

在Zhang等［11］的研究中可觀察到組氨酸、甘氨酸和肌酸水平在PM2.5暴露大鼠血清中降低；而在他的另一項(xiàng)研究中［19］，則發(fā)現(xiàn)小鼠血清中組氨酸、谷氨酰胺和肌酸水平顯著增加。組氨酸代謝產(chǎn)生的氨和甘氨酸一同參與氮代謝，而氮代謝是能量代謝的一種。肌酸通過可逆反應(yīng)與磷酸肌酸相互轉(zhuǎn)化，磷酸肌酸可以快速轉(zhuǎn)化為肌酸并釋放ATP 以響應(yīng)高能量需求。對(duì)于上述相反的結(jié)果，可能與動(dòng)物暴露PM2.5的劑量和時(shí)間不同有關(guān)?？傊?，PM2.5暴露可以導(dǎo)致能量代謝的紊亂。

蘇糖酸和草酸是體內(nèi)維生素C 的代謝產(chǎn)物，而維生素C 可以通過脫氫抗壞血酸的作用可逆地轉(zhuǎn)化為蘇糖酸和草酸，以維持氧化還原系統(tǒng)的平衡。有證據(jù)表明，維生素C 缺乏與心血管疾病患者高死亡風(fēng)險(xiǎn)有關(guān)［34］。在一項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)蘇糖酸和草酸水平在PM2.5暴露小鼠心臟組織中增加，提示維生素代謝的失衡［12］。由此推測(cè)PM2.5所致心血管疾病可能還與維生素代謝異常有關(guān)。

短期環(huán)境PM2.5暴露已被證明會(huì)增加體內(nèi)應(yīng)激激素，這與PM2.5暴露引起的各種不良健康影響的進(jìn)展有關(guān)。與這些研究一致，長(zhǎng)期暴露于PM2.5，18-氧皮質(zhì)醇和5α-四氫皮質(zhì)醇會(huì)顯著增加，而四氫孕酮和四氫可的松的水平則略有下降［28］。另一項(xiàng)研究提示使用空氣凈化器減少環(huán)境PM2.5可顯著降低應(yīng)激激素水平［35］。這些結(jié)果共同證實(shí)暴露于PM2.5會(huì)影響激素代謝，產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)。

6 總結(jié)與展望

利用液相-色譜質(zhì)譜、氣相-色譜質(zhì)譜、核磁共振等分析平臺(tái)建立的代謝組學(xué)技術(shù)可以分離并檢測(cè)各種生物樣本中的數(shù)百種代謝物，發(fā)現(xiàn)與疾病相關(guān)的機(jī)體代謝特征，揭示患病器官或組織的生物學(xué)變化，鑒定關(guān)鍵代謝標(biāo)志物，并且可通過分析其中的生物學(xué)細(xì)微變化，研究疾病發(fā)生和進(jìn)展的病理機(jī)制［36-37］。目前已經(jīng)有許多代謝組學(xué)研究將PM2.5暴露與代謝紊亂聯(lián)系起來。這些研究結(jié)果表明，無論是長(zhǎng)期還是短期暴露于PM2.5都會(huì)引起全身代謝譜的變化。利用代謝組學(xué)技術(shù)可以在血液、尿液、肺臟、心臟及肝臟等部位鑒定出多種差異代謝物，主要涉及氨基酸代謝、碳水化合物代謝、脂質(zhì)代謝和核苷酸代謝，其他還包括能量代謝、維生素代謝和激素代謝等［10-14］。

未來的研究需要更多地關(guān)注PM2.5引起的動(dòng)態(tài)代謝效應(yīng)，在多個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行代謝組學(xué)分析；確定PM2.5暴露后特定器官或系統(tǒng)的代謝改變是否具有特異性，是否存在差異性代謝物或代謝通路；確定環(huán)境PM2.5中產(chǎn)生毒性作用的具體成分；確定這些代謝改變?cè)赑M2.5暴露引起的發(fā)病機(jī)制中的具體作用，結(jié)合基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)等方法闡明最終代謝物和相關(guān)基因之間的內(nèi)在聯(lián)系；此外，由于腸道微生物的變化也會(huì)影響宿主的代謝型［38］，利用代謝組學(xué)和腸道微生物組學(xué)的聯(lián)合分析可以進(jìn)一步了解PM2.5暴露在影響機(jī)體代謝中的作用。

總之，上述一系列研究提供了PM2.5暴露相關(guān)的全身或局部的潛在生物標(biāo)志物，提高了對(duì)PM2.5暴露毒性機(jī)制和全身代謝效應(yīng)的理解，同時(shí)還證實(shí)了代謝組學(xué)在研究復(fù)雜污染物毒性作用中的應(yīng)用價(jià)值。