暴露組學(xué)在識(shí)別環(huán)境污染物及其健康危害中的應(yīng)用進(jìn)展

支夢雪, 王建設(shè)

(煙臺(tái)大學(xué)藥學(xué)院, 山東 煙臺(tái) 264005)

健康或疾病是由環(huán)境因素和遺傳因素共同作用的結(jié)果。隨著人類基因組計(jì)劃的完成和對(duì)復(fù)雜疾病病因?qū)W研究進(jìn)展的加快,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)遺傳因素僅占疾病病因的10%左右,大多數(shù)疾病是由非遺傳因素導(dǎo)致的,環(huán)境暴露在人體健康與疾病中起到重要的作用[1]。2016年,世衛(wèi)組織報(bào)告稱,全球有1 260萬例死亡可歸因于環(huán)境,占總死亡人數(shù)的23%。如果將死亡和殘疾都計(jì)算在內(nèi),環(huán)境造成的疾病負(fù)擔(dān)占全球疾病負(fù)擔(dān)的22%[2]。因此,要了解疾病發(fā)生的原因并最終預(yù)防疾病,就需要重視環(huán)境因素。結(jié)合全基因組關(guān)聯(lián)研究(genome-wide association studies, GWAS)與全暴露(或叫全環(huán)境)組關(guān)聯(lián)研究(exposome/environment-wide association studies, EWAS),找出疾病與遺傳、環(huán)境的聯(lián)系,通過消除/避免病因來提高預(yù)測個(gè)體發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)的能力[3]。

1 暴露組學(xué)概述、研究策略與方法

1.1 暴露組學(xué)概述

全球經(jīng)濟(jì)和人口擴(kuò)張帶來了土壤問題、大氣問題、全球變暖和水資源危機(jī)等一系列生態(tài)和環(huán)境問題,這些問題不僅影響了我們的生活質(zhì)量,還嚴(yán)重影響了人民的生命健康。為引起人們對(duì)復(fù)雜疾病中環(huán)境因素的關(guān)注,美國癌癥流行病學(xué)家Christopher Wild于2005年首次提出“暴露組”的概念,他將暴露組定義為從受精卵開始涵蓋整個(gè)生命周期的所有環(huán)境暴露,包括生活方式[4]。這一概念用來表示健康和疾病的環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素,即非遺傳驅(qū)動(dòng)因素。此后,“暴露”的定義進(jìn)一步細(xì)化為對(duì)整個(gè)生命周期中環(huán)境影響和相關(guān)生物反應(yīng)的累積測量[5-7],其中生物效應(yīng)是通過改變體內(nèi)關(guān)鍵分子、細(xì)胞和生理過程的化學(xué)物質(zhì)介導(dǎo)的,所以暴露不僅限于從空氣、水或食物進(jìn)入體內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)(有毒物質(zhì)),還包括炎癥、氧化應(yīng)激、脂質(zhì)過氧化、感染、腸道菌群和其他過程產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)。因此,Wild于2012年將“暴露”分為3類:內(nèi)部暴露、一般外部暴露和特定外部暴露。內(nèi)部暴露被定義為個(gè)體對(duì)環(huán)境刺激的反應(yīng)或維持體內(nèi)平衡所需的生理和生物反應(yīng),包括炎癥、代謝和應(yīng)激途徑等。宏觀層面的暴露,如涉及物理或社會(huì)環(huán)境的暴露(如空氣和水、建筑環(huán)境、氣候變化和噪聲)構(gòu)成一般外部暴露,而個(gè)人層面的暴露(如沐浴/化妝品使用、飲食、生活方式、體育活動(dòng)和睡眠)代表特定外部暴露[8,9]。隨之出現(xiàn)了暴露組學(xué)的概念:“研究暴露組以及暴露組對(duì)人類疾病過程影響的學(xué)問”[10]。暴露組的研究補(bǔ)充了基因組學(xué)在人類復(fù)雜疾病病因研究中的不足。

1.2 暴露組學(xué)的研究策略和方法

為研究環(huán)境對(duì)疾病和健康的影響,針對(duì)復(fù)雜的環(huán)境暴露和更復(fù)雜的人對(duì)環(huán)境的反應(yīng),提出了“自下而上”和“自上而下”兩種研究策略?！白韵露稀钡难芯坎呗允峭ㄟ^對(duì)空氣、水和食物等介質(zhì)中的化合物進(jìn)行測定,分析他們與疾病和健康結(jié)果的相關(guān)性,尋找確定影響疾病的外源性暴露因子?！白陨隙隆钡牟呗酝ㄟ^分析測定患者和健康人群血液或者尿液等生物樣本中所有外來化合物的種類和水平,應(yīng)用高通量的組學(xué)技術(shù)對(duì)人體內(nèi)的標(biāo)志物進(jìn)行分析,識(shí)別所有可能的暴露因素,分析其與疾病的關(guān)聯(lián),確定導(dǎo)致健康損害的有害因子(見圖1)?！白韵露稀迸c“自上而下”兩種策略各具優(yōu)勢和不足,前者能在眾多的有害因素中分析其環(huán)境介質(zhì)的來源,可以進(jìn)行大規(guī)模的人群研究,但是難以分析進(jìn)入體內(nèi)有害物質(zhì)的量,不能得出與疾病的明確關(guān)系;后者由于可以測定進(jìn)入體內(nèi)的有害因子含量及其效應(yīng)的標(biāo)志物,為確定與疾病的關(guān)系提供了有力證據(jù),但是由于生物材料的采集和分析的限制,難以進(jìn)行大規(guī)模的人群研究,并且也無法確定有害因素的來源[1,11]。兩種方法相結(jié)合可發(fā)揮暴露組學(xué)方法的最大應(yīng)用潛力[12]。

圖 1 暴露組學(xué)研究的基本策略Fig. 1 Basic strategies for exposomics research

外部因素通過改變機(jī)體的生物學(xué)特征對(duì)健康產(chǎn)生影響。通過分析不同生物樣本的化合物水平,并結(jié)合暴露時(shí)體內(nèi)生理學(xué)變化和體外暴露因素信息來理清暴露因素和疾病的聯(lián)系,可在個(gè)人和社會(huì)層面采取干預(yù)措施,降低健康風(fēng)險(xiǎn)。暴露組學(xué)的研究依賴于內(nèi)部和外部暴露評(píng)估方法的應(yīng)用。外部暴露評(píng)估依賴于對(duì)環(huán)境壓力源暴露量的測量,內(nèi)部暴露評(píng)估依賴于基因組學(xué)、代謝組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等組學(xué)研究[13-17]。近些年來組學(xué)方法取得了非凡的進(jìn)步,使毒理學(xué)家能夠?qū)⒍敬鷦?dòng)力學(xué)和毒效動(dòng)力學(xué)與有毒化學(xué)物質(zhì)作用方式(單一或聯(lián)合)的機(jī)制結(jié)合起來,為系統(tǒng)評(píng)估環(huán)境污染物的健康風(fēng)險(xiǎn)提供理論依據(jù)[18,19]?；蚪M學(xué)被認(rèn)為是組學(xué)分析的基礎(chǔ),即使微小的基因突變都可能導(dǎo)致個(gè)體的毒物反應(yīng)差異,影響個(gè)體對(duì)疾病的易感性[15]。表觀遺傳學(xué)研究基因甲基化和染色質(zhì)構(gòu)象改變等方式引起的基因表達(dá)調(diào)控變化和最終導(dǎo)致的表型改變。轉(zhuǎn)錄組學(xué)關(guān)注RNA水平上的基因表達(dá),使我們能夠在轉(zhuǎn)錄水平上了解基因組的表達(dá),從而提供基因結(jié)構(gòu)、基因表達(dá)調(diào)控、基因產(chǎn)物功能和基因組動(dòng)力學(xué)等方面的信息[15]。與其他組學(xué)相比,蛋白質(zhì)組學(xué)更接近生物表型[20]。機(jī)體在外界刺激下,表現(xiàn)出不同的蛋白質(zhì)表達(dá)水平,這些信息將有助于了解蛋白質(zhì)對(duì)表型的影響以及疾病發(fā)生的途徑或機(jī)制[15]。代謝組學(xué)通過獲取的內(nèi)源或外源小分子物質(zhì)變化譜可以反映有害暴露下的細(xì)胞活動(dòng)改變[21],敏感、特異性內(nèi)源代謝物變化可以作為生物標(biāo)志物來指示暴露因子的性質(zhì)和潛在危害[14,20]。上述任何一種組學(xué)分析在全面解釋特定生物現(xiàn)象方面都可能存在局限性,“多組學(xué)”方法通過整合多種組學(xué)技術(shù),從不同生物層次識(shí)別與有害結(jié)局相關(guān)的生物學(xué)通路,以全局的角度研究一系列生物效應(yīng),找出組內(nèi)關(guān)聯(lián),從而在分子水平上加強(qiáng)對(duì)環(huán)境影響和健康結(jié)果的精確理解,確認(rèn)環(huán)境暴露與發(fā)病機(jī)制之間的因果關(guān)系和關(guān)聯(lián)[15]。

2 暴露組學(xué)在識(shí)別環(huán)境污染物及健康危害中的應(yīng)用

2.1 暴露組學(xué)在環(huán)境污染物識(shí)別中的應(yīng)用

近些年新技術(shù)的發(fā)展顯著促進(jìn)了對(duì)化合物的檢測和識(shí)別能力,通過分析獲得的豐富數(shù)據(jù)促進(jìn)了未知化合物的發(fā)現(xiàn)。其中高分辨質(zhì)譜法(high-resolution mass spectrometry, HRMS)已成為表征暴露水平和發(fā)現(xiàn)暴露相關(guān)生物途徑變化或?qū)ふ壹膊?biāo)志物的重要手段[22],是研究持久性有機(jī)污染物(POPs)、內(nèi)分泌干擾化學(xué)物質(zhì)、農(nóng)藥、重金屬和空氣污染物等各種環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素及其效應(yīng)的強(qiáng)大工具[23,24]。例如,一項(xiàng)研究[25]采用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(UPLC-MS/MS)和液相色譜-四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜(LC-QTOF-MS)對(duì)水源水和自來水中的全氟/多氟烷基化合物(PFASs)進(jìn)行靶向、非靶向和可疑篩選,在自來水中靶向檢出12類共50種PFASs;非靶向檢測出15種PFASs,總含量高達(dá)17.6 ng/L,有3種高置信度PFASs首次在飲用水中檢出;對(duì)應(yīng)的水源水和自來水中靶向PFASs的濃度變化不明顯,說明常規(guī)飲用水處理方式對(duì)這些PFASs的去除效率較低。另一項(xiàng)研究[26]采用超高效液相色譜-四極桿線性離子阱質(zhì)譜和UPLC-QTOF-MS分析方法,對(duì)南海海洋哺乳動(dòng)物肝臟樣本中的PFASs進(jìn)行靶向、非靶向和可疑篩選,發(fā)現(xiàn)在21種目標(biāo)PFASs中,全氟辛烷磺酸(PFOS)和6∶2氯化聚氟烷基醚磺酸(6∶2 Cl-PFESA)占主導(dǎo)地位;非靶向分析和可疑篩選共獲得9類44種PFASs,其中有15種PFASs為首次在海洋哺乳動(dòng)物體內(nèi)檢出。此外,大氣壓光電離(APPI)技術(shù)對(duì)芳香族化合物具有很高的靈敏度[27];傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜法(FT-ICR MS)具有超高分辨率和質(zhì)量精度,廣泛用于探索復(fù)雜材料的分子組成[28];全二維氣相色譜(GC×GC)具有分辨率高、峰容量大、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),其與飛行時(shí)間質(zhì)譜(TOF MS)聯(lián)用,在提高分辨率和靈敏度的同時(shí),能減少基質(zhì)干擾的影響[29]。Xu等[28]采用大氣壓光電離傅里葉變換離子回旋共振質(zhì)譜法(APPI FT-ICR MS)和全二維氣相色譜-飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用(GC×GC-TOF MS)方法,對(duì)北京地區(qū)大氣顆粒物(PM)中的多環(huán)芳香類化合物(PACs)進(jìn)行分析,采用APPI FT-ICR MS對(duì)PACs進(jìn)行初步定性分析,GC×GC-TOF MS進(jìn)一步鑒定PACs的結(jié)構(gòu),共識(shí)別出386種PACs,其中283種多環(huán)芳烴(PAHs)及其烷基衍生物為優(yōu)勢化合物,除包括常規(guī)監(jiān)測的16種PAHs之外,多種PAHs烷基化衍生物以較高濃度存在于PM中[28]。李想等[30]基于固相萃取-氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)(SPE-GC-MS/MS)對(duì)武漢市普通人群血清中有機(jī)氯農(nóng)藥與多氯聯(lián)苯進(jìn)行檢測分析,張續(xù)等[31]采用固相萃取-超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法(SPE-UPLC-MS/MS)對(duì)尿液中多種農(nóng)藥及農(nóng)藥代謝物進(jìn)行批量分析測定,兩種方法均具有操作簡單、靈敏度高的特點(diǎn),適合大量樣本的生物監(jiān)測。表1簡單列出了近年來暴露組學(xué)在環(huán)境污染物識(shí)別中的應(yīng)用。

表1 暴露組學(xué)在環(huán)境污染物識(shí)別中的應(yīng)用

2.2 暴露組學(xué)與生物標(biāo)志物的識(shí)別

環(huán)境暴露對(duì)人體的影響貫穿一生,他們影響基因的表達(dá)、訓(xùn)練和免疫系統(tǒng)的塑造,觸發(fā)許多生理反應(yīng),決定機(jī)體健康和疾病狀態(tài)。只有闡明環(huán)境暴露與各種細(xì)胞成分之間復(fù)雜的相互作用,才能表征暴露物及其對(duì)健康的影響,確定因果關(guān)系[36]。為了更好地了解復(fù)雜化學(xué)混合物的暴露情況并保護(hù)公眾健康,確定暴露對(duì)生物的影響尤為重要,這種影響包括生物效應(yīng)(即暴露的不利影響)和生物反應(yīng)(即機(jī)體試圖修復(fù)暴露所致?lián)p傷做出的反應(yīng))[36-38]。生物標(biāo)志物是生物體內(nèi)與暴露或疾病相關(guān)聯(lián)的指示物,是機(jī)體由于接觸各種環(huán)境因子所引起的器官、細(xì)胞、亞細(xì)胞水平變化的生化、生理、免疫和遺傳學(xué)等指標(biāo),是一個(gè)在暴露組學(xué)中廣泛應(yīng)用的概念,從功能上一般分為暴露(接觸)生物標(biāo)志物、效應(yīng)生物標(biāo)志物和易感性生物標(biāo)志物[39]。暴露生物標(biāo)志物能比較準(zhǔn)確地反應(yīng)機(jī)體的負(fù)荷或吸收的總劑量,包括可直接測量的化學(xué)物質(zhì)(如血液中的外源污染物)或是通過生理機(jī)制以各種方式修飾過并仍能識(shí)別的化合物(如代謝產(chǎn)物或加合物),用于指示污染物類型和暴露量[40]。效應(yīng)標(biāo)志物指機(jī)體中可測出的生化、生理、行為或其他改變的指標(biāo),表明環(huán)境污染的致病機(jī)制,并提高對(duì)疾病的預(yù)測和預(yù)警的精確度[1]。多種重要通路可以通過多層次組學(xué)標(biāo)志物(DNA、RNA、蛋白質(zhì)和代謝產(chǎn)物)來表征,包括氧化應(yīng)激、炎癥、免疫反應(yīng)改變和激素調(diào)節(jié)等[39]。暴露生物標(biāo)志物與效應(yīng)標(biāo)志物可用于對(duì)劑量-反應(yīng)(效應(yīng))關(guān)系進(jìn)行評(píng)價(jià),了解內(nèi)/外暴露與疾病之間的關(guān)聯(lián)程度[41]。易感性生物標(biāo)志物是機(jī)體接觸某種特定環(huán)境因子時(shí),指示個(gè)體反應(yīng)能力的先天性/獲得性缺陷的指標(biāo),可用于篩選環(huán)境暴露的敏感人群[1]?？傊?生物標(biāo)志物在揭示環(huán)境暴露、人類生物學(xué)和疾病之間的關(guān)系方面發(fā)揮著重要作用(見圖2)。

圖 2 環(huán)境暴露與健康效應(yīng)的關(guān)系Fig. 2 Relationship between environmental exposure and health effects

暴露組學(xué)旨在同時(shí)考察所有與環(huán)境暴露相關(guān)的標(biāo)志物以及與疾病相關(guān)標(biāo)志物之間的相關(guān)性,從而得到全面可靠的環(huán)境與疾病風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系。研究的難點(diǎn)在于如何一次性考察復(fù)雜生物樣品中所有環(huán)境暴露相關(guān)標(biāo)志物以及疾病相關(guān)標(biāo)志物[42]。蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)是標(biāo)志物鑒定和污染物效應(yīng)分析的兩個(gè)主要手段。蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)通過對(duì)蛋白質(zhì)高效快捷的定量分析,可從蛋白質(zhì)水平上研究外源性化合物對(duì)機(jī)體的毒性作用機(jī)制,并從中篩選出具有較高特異性和靈敏度的蛋白質(zhì)標(biāo)志物[43]。同位素標(biāo)記相對(duì)和絕對(duì)定量技術(shù)(iTRAQ)具有測定蛋白質(zhì)范圍廣泛、檢出限低、分析結(jié)果可靠、精度高等優(yōu)點(diǎn)[44]?；趇TRAQ LC-MS/MS方法,Liu等[45]對(duì)暴露于全氟辛酸(PFOA)的SD大鼠肝臟進(jìn)行了差異蛋白質(zhì)組學(xué)分析,確定了3 327個(gè)非冗余蛋白質(zhì),其中192個(gè)蛋白質(zhì)在PFOA處理下呈現(xiàn)顯著的改變。與傳統(tǒng)的LC-MS/MS相比,納米液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜分析法(Nano LC-MS/MS)在靈敏度上具有更大優(yōu)勢[46], Li等[47]采用親水作用液相色譜(HILIC)富集,Nano LC-MS/MS和無標(biāo)記定量(LFQ)相結(jié)合的研究方法,對(duì)PFOS暴露的小鼠肝臟進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)分析,識(shí)別出2 439種蛋白質(zhì)和799種糖蛋白,前者有241個(gè)發(fā)生顯著改變(112個(gè)上調(diào),129個(gè)下調(diào));后者有134個(gè)為差異糖蛋白(60個(gè)顯著上調(diào),74個(gè)顯著下調(diào))。代謝組學(xué)是確定污染物暴露的靶器官、生物標(biāo)志物和高效解析其毒理作用及機(jī)制的重要技術(shù)手段[48]。靶向代謝組學(xué)專注于對(duì)一類特定代謝物的定量,特別是針對(duì)某一條通路的關(guān)鍵代謝物,可用于對(duì)化合物進(jìn)行毒性評(píng)價(jià);非靶向代謝組學(xué)專注于對(duì)代謝物的全面檢測,更適合全面探究暴露因子作用下代謝譜的改變和作用機(jī)理[49,50]。超高效液相色譜-四極桿-飛行時(shí)間質(zhì)譜法結(jié)合了超高效液相色譜和高分辨質(zhì)譜的優(yōu)點(diǎn),是一種快速、靈敏度高、分離能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確的分析技術(shù),被廣泛地應(yīng)用于復(fù)雜化學(xué)成分的結(jié)構(gòu)鑒定[51]。Chu等[52]采用UPLC-QTOF-MS分析方法測定血漿代謝組學(xué),評(píng)估長期暴露于PM與血漿代謝變化之間的關(guān)系。在PM10和PM2.5暴露下,分別檢測到124和162種代謝物。PM2.5暴露下鑒定出的25種差異代謝物大多數(shù)是磷脂分解產(chǎn)物,提示長期暴露于PM2.5可能影響磷脂分解代謝;對(duì)比PM2.5易感人群和普通人群,在易感人群中確認(rèn)了6種差異代謝物,其中有2種在空氣凈化器干預(yù)前后發(fā)生顯著變化,這2種代謝物可作為PM2.5暴露的潛在生物標(biāo)志物。

2.3 污染物與機(jī)體的相互作用

污染物對(duì)健康的挑戰(zhàn)不僅在于需明確日常生活中大量接觸化學(xué)物質(zhì)的類型、劑量、頻率和持續(xù)時(shí)間,還在于他們與機(jī)體復(fù)雜的相互作用。傳統(tǒng)毒理學(xué)研究主要集中在污染物對(duì)生物體的劑量-反應(yīng)關(guān)系和毒性終點(diǎn)指標(biāo)上。然而,生命體由碳水化合物、脂質(zhì)、核酸和蛋白質(zhì)等生物大分子構(gòu)成[53],這些生物大分子之間復(fù)雜的相互作用是生命體生長、發(fā)育和存在的基礎(chǔ)。污染物對(duì)生命健康的危害經(jīng)常是通過與體內(nèi)生物大分子的相互作用來實(shí)現(xiàn)的,因此進(jìn)一步在分子水平上研究污染物與生物大分子的相互作用必不可少[54,55]。本文以廣受關(guān)注的POPs為例簡要闡述污染物與生物大分子的相互作用。POPs能廣泛、持久地分布于各種環(huán)境介質(zhì)和生物體內(nèi),很多還具有生物積累和生物放大效應(yīng)[56],能造成神經(jīng)行為障礙[57]、致癌[58]和激素失衡[59]等不良后果,嚴(yán)重威脅人類健康。有些POPs與體內(nèi)的配體或代謝物等物質(zhì)的結(jié)構(gòu)相似,與蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)和碳水化合物等生物大分子具有親和力[60],進(jìn)入機(jī)體后會(huì)首先作用于生物大分子,改變生物大分子的結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致一系列的病變。如PFASs與DNA相互作用會(huì)誘導(dǎo)DNA變形[61], PFOA與脂質(zhì)雙分子層的磷脂相互作用能破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu),誘導(dǎo)細(xì)胞死亡[62,63]。與核酸和碳水化合物等其他生物大分子相比,蛋白質(zhì)與污染物的相互作用更普遍,POPs通過氫鍵、范德華力以及疏水相互作用力與蛋白質(zhì)靶點(diǎn)(包括酶、血清蛋白、轉(zhuǎn)錄因子、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和G蛋白偶聯(lián)受體(GPCRs)等)相互作用。從污染物的代謝動(dòng)力學(xué)角度來看,研究污染物與蛋白質(zhì)的相互作用有助于在分子水平上了解POPs的吸收、分布和代謝[64]。在效應(yīng)學(xué)角度來看,POPs通過競爭性抑制和變構(gòu)等動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)過程改變酶、轉(zhuǎn)錄因子和GPCRs等蛋白質(zhì)靶點(diǎn)的活性,調(diào)節(jié)細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)過程,導(dǎo)致炎癥和癌癥等多種病理變化[65,66]。因此研究污染物與蛋白質(zhì)的相互作用是闡明污染物毒性機(jī)制的重要手段。POPs進(jìn)入人體后,與之相互作用的第一類蛋白質(zhì)是存在于胃中的消化酶,例如PFOA/全氟壬酸(PFNA)暴露導(dǎo)致胃蛋白酶構(gòu)象發(fā)生變化[67]。POPs從胃吸收進(jìn)入血液,與白蛋白和血紅蛋白等血漿蛋白表現(xiàn)出高度的親和力而阻礙了其生理功能,如殺螟丹與血紅蛋白結(jié)合,改變血紅蛋白構(gòu)象,造成氧結(jié)合能力下降,導(dǎo)致高鐵血紅蛋白血癥[68]。有些POPs與體內(nèi)激素受體、GPCRs、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和離子通道等具有高親和力和特異性,如滴滴涕(DDT)的化學(xué)結(jié)構(gòu)與激素相似,能與促卵泡激素受體(FSHR)相互作用,促進(jìn)環(huán)磷酸腺苷(cAMP)的產(chǎn)生并破壞內(nèi)分泌信號(hào),可能對(duì)生殖和性發(fā)育產(chǎn)生不利影響[69]。有的POPs進(jìn)入到細(xì)胞質(zhì)中,進(jìn)一步與核受體/轉(zhuǎn)錄因子(如芳香烴受體)相互作用,導(dǎo)致體內(nèi)平衡破壞,甚至造成遺傳毒性[65]。

2.4 污染物的聯(lián)合毒性

化學(xué)品對(duì)健康的影響信息之前大多來自于流行病學(xué)和毒理學(xué)的研究,通過分析幾種污染物與特定表型的關(guān)系,預(yù)測暴露-疾病關(guān)系中的機(jī)制。然而在日常生活中,大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)并非孤立存在,人體接觸的是龐大的化合物種類,因此很難孤立地觀察和明確一種化學(xué)物質(zhì)的影響。很多情況下,暴露組學(xué)所關(guān)注的許多化學(xué)物質(zhì)來自相同或相關(guān)的來源(如工業(yè)過程、消費(fèi)品和飲食),這些化學(xué)物質(zhì)在暴露和富集途徑等方面常呈現(xiàn)相互關(guān)聯(lián)的動(dòng)態(tài)變化模式,這一特征與復(fù)雜生物系統(tǒng)中的群落結(jié)構(gòu)類似。因此,通過對(duì)相關(guān)污染物進(jìn)行分組可以降低混合污染物的復(fù)雜性,進(jìn)而探索他們對(duì)生物體的影響[70]。但是,不同類型、不同來源污染物的聯(lián)合效應(yīng)則更復(fù)雜,污染物之間的相互作用可能會(huì)加劇他們在機(jī)體內(nèi)的毒性[71](見圖3)。以塑料為例簡要說明這個(gè)問題:塑料因其持久性、普遍性和潛在的毒性,已成為環(huán)境的主要威脅之一,預(yù)計(jì)到2050年,自然環(huán)境中將有約120億噸塑料廢物[72]。其中,微/納米塑料(MPs/NPs)問題尤其引人關(guān)注,這類惰性有毒物質(zhì)的粒徑?jīng)Q定其容易通過消化道進(jìn)入機(jī)體以及在機(jī)體內(nèi)的分布[73]。MPs/NPs通過表面吸附和空隙填充裝載各種污染物(如重金屬、POPs、藥物、細(xì)菌和病毒等)并將其輸送、釋放到新的地點(diǎn)(特別是生物體內(nèi))的特性被定義為“特洛伊木馬效應(yīng)”[74,75]。例如在腸道內(nèi)環(huán)境條件下,會(huì)增加塑料中增塑劑雙酚A(BPA)的釋放,BPA進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)可以與雌激素核受體相互作用,干擾內(nèi)分泌系統(tǒng)的正常功能[54,76]。MPs/NPs的毒性效應(yīng)不止來源于塑料本身和塑料添加劑,其吸附或負(fù)載的污染物對(duì)生物產(chǎn)生的綜合毒理學(xué)效應(yīng)涉及多個(gè)生命階段,涵蓋發(fā)育、行為、基因和代謝毒性、免疫反應(yīng)和腸屏障功能障礙等諸多方面[77-81],已成為環(huán)境毒理學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。多數(shù)研究表明,與單個(gè)污染物相比,MPs-污染物混合物的毒性更強(qiáng)[82]。MPs/NPs聯(lián)合全氟化合物(PFOA和PFOS)暴露,導(dǎo)致蚯蚓對(duì)PFOA和PFOS的吸收增加,并顯著減少了蚯蚓的繁殖[83]。MPs暴露于人肝癌細(xì)胞株(HepG2)時(shí),不會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞死亡,但當(dāng)MPs與多氯聯(lián)苯聯(lián)合暴露時(shí)比多氯聯(lián)苯單獨(dú)暴露產(chǎn)生的毒性更大[84]。聚苯乙烯微塑料(PS-MPs)通過誘導(dǎo)線粒體去極化和抑制膜ATP結(jié)合盒(ABC)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的活性,增加Caco-2細(xì)胞中砷的積累和毒性[85,86]。除MPs/NPs外,PM也可作為其他污染物的載體。PM是造成空氣污染致病的元兇之一,接觸大氣PM與心血管和呼吸系統(tǒng)疾病相關(guān)的發(fā)病率和死亡率增加有關(guān)。據(jù)估計(jì),全球每年有650萬人死于空氣污染[87]。近些年來,PM2.5對(duì)呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)健康的影響引起了人們的廣泛關(guān)注。PM2.5可沉積在整個(gè)呼吸道,特別是小氣道和肺泡,導(dǎo)致肺功能降低,誘發(fā)哮喘和支氣管炎,引發(fā)咳嗽和呼吸困難等癥狀,而且因其粒徑小易被吸收,并且易攜帶重金屬、多環(huán)芳烴和微生物等多種污染物質(zhì),對(duì)老人和小孩等敏感人群的作用尤為明顯[88,89]。研究表明,單獨(dú)暴露于甲醛或PM2.5對(duì)小鼠大腦幾乎沒有損傷,但對(duì)應(yīng)劑量的甲醛與PM2.5聯(lián)合暴露時(shí),有顯著的協(xié)同作用,加劇氧化應(yīng)激和炎癥,造成血腦屏障損傷、β-淀粉樣蛋白1-42(Aβ1-42)和過度磷酸化的tau蛋白(p-tau)積累、膠質(zhì)細(xì)胞激活等病理改變,導(dǎo)致認(rèn)知功能下降[90]。

圖 3 污染物的聯(lián)合作用Fig. 3 Combined effects of pollutants

3 總結(jié)

本文通過概括“環(huán)境-暴露組-健康”間的關(guān)系探討了環(huán)境暴露對(duì)健康的影響。人們長期處于復(fù)雜的環(huán)境暴露中,需要我們綜合考慮多種物質(zhì)的共同作用,闡明重點(diǎn)污染物的健康效應(yīng)、作用機(jī)制以及環(huán)境因素之間的相互影響,通過改變環(huán)境中的不利因素來減少疾病的發(fā)生。據(jù)估計(jì),人類一生要經(jīng)歷超過100萬次的暴露,因此認(rèn)識(shí)生命不同階段的暴露組及對(duì)健康的特定影響是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。首先,與基因組不同,暴露組在時(shí)間和空間上是高度可變的,這增加了描述他們對(duì)細(xì)胞、器官和生物體水平影響的難度;其次,表征未知分析物是了解暴露組的主要挑戰(zhàn)。隨著社會(huì)的發(fā)展,化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境的速度、數(shù)量和種類都在不斷擴(kuò)大,絕大多數(shù)疾病的發(fā)生是由未知的暴露因素引起的;最后,找出暴露、暴露影響和其他因素(如遺傳和疾病)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián),需要整合大量內(nèi)/外暴露檢測數(shù)據(jù)。環(huán)境暴露的復(fù)雜性與我們目前的知識(shí)數(shù)據(jù)庫之間存在巨大差距,豐富數(shù)據(jù)庫任重而道遠(yuǎn)。