基于代謝組學的PM2.5對代謝途徑影響的研究進展*

李經歷，劉玲靜，陳成水

（溫州醫科大學附屬第一醫院呼吸與危重癥醫學科，浙江溫州325000）

細顆粒物（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因素［1］。PM2.5體積小，表面積大，易吸附重金屬、多環芳烴、微生物等有毒有害成分，對人體造成危害，引起了人們極大關注［2］。許多流行病學研究都表明PM2.5會增加人類患各種疾病的風險，包括心血管疾?。?］、呼吸系統疾?。?］、早產和低出生體重［4］、糖尿病［5］、神經毒性［6］和腎功能損害［7］等。據報道，環境顆粒物是2017 年全球疾病負擔的十大風險之一［8］。然而，其潛在的生物機制尚未完全被闡明。

代謝組學是一個新興研究領域，通過分析生物樣品中的小分子代謝物來揭示生命系統因病理狀態或外界刺激引起的各種代謝特征變化［9］。目前，代謝組學可以通過分析代謝物水平變化來確定發病機制中涉及的代謝途徑，以及識別相關的生物標志物，用于診斷和開發疾病治療方法。值得注意的是，許多基于代謝組學的研究表明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暴露對機體的毒性作用，也證明了代謝組學在PM2.5毒理學研究中的應用價值［10-14］。本文對使用代謝組學技術進行PM2.5對機體代謝途徑影響的研究進展做一簡要綜述。

1 氨基酸代謝

Zhang 等［11］使用高分辨率1H 核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）為基礎的代謝組學方法來檢查氣管內滴注PM2.5后大鼠的血清代謝變化，發現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，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，但長期短缺可能會影響營養代謝和免疫反應［15］。此外，甘氨酸在抗氧化反應中起著重要作用，是谷胱甘肽（glutathione，GSH）的一個組成部分，當肝臟發生損傷時，它可以促進GSH 的合成［16］。作為體內的自由基清除劑，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，將它們轉化為穩定的分子［17］。甘氨酸水平降低表明PM2.5暴露大鼠的抗氧化能力較弱，這與之前報道的PM2.5可誘導GSH水平降低的氧化應激相一致［18］。然而，Wang等［13］用 氣 相 色 譜 -質 譜（gas chromatography-mass spectrometry，GC-MS）檢測PM2.5暴露后小鼠肝組織時發現，葡萄糖酸、甘氨酸和谷氨酰胺的代謝物水平顯著增加，他們認為小鼠在PM2.5暴露后會啟動谷胱甘肽代謝，以去除PM2.5衍生的自由基和次級代謝產物。不同的檢測方法和檢測標本可能是導致結果相反的原因，也可能是因為PM2.5暴露后谷胱甘肽代謝是動態變化的，即在PM2.5暴露早期，體內谷胱甘肽代謝會增強，而在暴露后期谷胱甘肽代謝則會被抑制。

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，對人體至關重要。支鏈氨基酸通過支鏈氨基轉移酶的催化，脫掉氨基轉化為支鏈α-酮酸（亮氨酸轉化為α-酮異己酸鹽，脯氨酸轉化為α-酮異戊酸，異亮氨酸轉化為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分解成最終產物［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］，最終進入三羧酸（tricarboxylic acid，TCA）循環。因此，這種現象可能是因為PM2.5暴露增加了小鼠的能量消耗，加速了TCA 循環，使支鏈氨基酸在體內富集；此外，也可能是PM2.5暴露抑制了支鏈氨基酸在小鼠體內的生物利用。

在其他研究中，還發現PM2.5暴露可導致丙氨酸、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 循環是有氧代謝的核心，為身體的正?；顒犹峁┠芰?，也是三大營養素（葡萄糖、脂肪和氨基酸）的最終代謝途徑。一些研究顯示，PM2.5暴露可導致TCA 循環異常。在暴露于PM2.5的動物體內，包括血清［10］、尿液［11］、心臟［12］及肺臟［14］等不同的檢測標本中，可發現檸檬酸含量的增加。Wang 等［13-14］還發現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暴露會觸發補償機制，加速TCA 循環來抵消受損組織傷口愈合所需的能量消耗。有研究顯示，與鎘暴露相關的尿檸檬酸鹽水平的增加是由鎘誘導的腎小管毒性影響腎臟的檸檬酸鹽處理導致的［20］。而 PM2.5含有大量重金屬，其中鉛、鉻和鎘可誘導腎毒性。這與Hansen 等［5］的研究結果一致，他們發現老年男性長期接觸PM2.5會使腎功能受損。

先前一項研究［21］發現，在肥胖和糖尿病動物中檸檬酸鹽水平增加。據報道，暴露于大氣污染顆粒會增加胰島素抵抗，并且在PM2.5處理的小鼠中證實了這一點［22］。因此Zhang 等［11］發現的PM2.5暴露動物中糖酵解下調和糖異生上調可能跟胰島素抵抗有關。他們發現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，而丙氨酸可以在糖異生中轉氨基成丙酮酸，這兩種代謝物的減少說明大鼠體內無氧糖酵解的弱化及糖異生的增強。

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 脂質代謝

代謝組學的相關研究也表明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，是維持細胞內外環境和調節細胞內外物質交換的關鍵結構，當肺組織出現炎癥反應時，磷脂會水解成溶血磷脂，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-質譜（liquid chromatography-mass spectrometry，LC-MS）平臺對暴露于PM2.5的大鼠肺組織進行代謝組學分析，結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。而在另一項研究中發現，PM2.5暴露后肺泡灌洗液中卵磷脂和溶血卵磷脂顯著增加。對此現象，Zhang等［24］認為是因為肺損傷處于不同階段：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PM2.5刺激的反應；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降低。這些研究提示在PM2.5誘導的肺損傷不同階段，肺部脂質代謝處于動態變化中。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介質（前列腺素和白三烯）的前體，這也說明PM2.5暴露可能會影響肺細胞膜完整性，誘導促炎反應，并導致潛在的肺部疾病［25］。

鞘脂是細胞膜的另一重要成分，占總膜脂質的10%～15%，有研究表明，磷脂和鞘脂代謝物參與了肺泡Ⅱ型細胞的炎癥［26］。鞘氨醇和鞘磷脂是鞘脂的主要部分，并在細胞氧化應激反應中起關鍵作用。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］的研究中則發現長期暴露于PM2.5顯著增加鞘脂的循環代謝物，包括鞘磷脂、神經酰胺和硫酸肌醇。值得注意的是，炎癥反應被認為是PM2.5暴露所致病理生理學的核心［28］。因此通過代謝組學證明PM2.5暴露可以通過影響鞘脂代謝，從而調節炎癥反應，這與其他研究結果一致。

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］。據報道，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］。這些結果提示PM2.5可能會誘發心血管疾病。

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，當血糖降低時，它們可以通過脂肪酸氧化產生能量為大腦供能，從而為中樞神經系統提供保護作用。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暴露后會導致機體能量缺乏并出現酮體氧化以產生能量。

4 核苷酸代謝

PM2.5還會引起異常的核苷酸代謝。在肺組織中發現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［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激損傷。據報道，嘌呤代謝紊亂與肺功能呈負相關［31］，而次黃嘌呤和腺苷與慢性阻塞性肺病的中性粒細胞炎癥有關［32］。在心臟中發現的核糖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的關鍵代謝前體，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 池的代償機制。另外，尿苷可以穩定心臟能量代謝，保護心臟免受抗氧化系統功能障礙的影響，阻止脂質過氧化過度激活［33］。這也再次證明PM2.5可能會影響心血管系統。

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；而在他的另一項研究中［19］，則發現小鼠血清中組氨酸、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。肌酸通過可逆反應與磷酸肌酸相互轉化，磷酸肌酸可以快速轉化為肌酸并釋放ATP 以響應高能量需求。對于上述相反的結果，可能與動物暴露PM2.5的劑量和時間不同有關。總之，PM2.5暴露可以導致能量代謝的紊亂。

蘇糖酸和草酸是體內維生素C 的代謝產物，而維生素C 可以通過脫氫抗壞血酸的作用可逆地轉化為蘇糖酸和草酸，以維持氧化還原系統的平衡。有證據表明，維生素C 缺乏與心血管疾病患者高死亡風險有關［34］。在一項研究中發現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PM2.5所致心血管疾病可能還與維生素代謝異常有關。

短期環境PM2.5暴露已被證明會增加體內應激激素，這與PM2.5暴露引起的各種不良健康影響的進展有關。與這些研究一致，長期暴露于PM2.5，18-氧皮質醇和5α-四氫皮質醇會顯著增加，而四氫孕酮和四氫可的松的水平則略有下降［28］。另一項研究提示使用空氣凈化器減少環境PM2.5可顯著降低應激激素水平［35］。這些結果共同證實暴露于PM2.5會影響激素代謝，產生應激反應。

6 總結與展望

利用液相-色譜質譜、氣相-色譜質譜、核磁共振等分析平臺建立的代謝組學技術可以分離并檢測各種生物樣本中的數百種代謝物，發現與疾病相關的機體代謝特征，揭示患病器官或組織的生物學變化，鑒定關鍵代謝標志物，并且可通過分析其中的生物學細微變化，研究疾病發生和進展的病理機制［36-37］。目前已經有許多代謝組學研究將PM2.5暴露與代謝紊亂聯系起來。這些研究結果表明，無論是長期還是短期暴露于PM2.5都會引起全身代謝譜的變化。利用代謝組學技術可以在血液、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注PM2.5引起的動態代謝效應，在多個時間點進行代謝組學分析；確定PM2.5暴露后特定器官或系統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；確定環境PM2.5中產生毒性作用的具體成分；確定這些代謝改變在PM2.5暴露引起的發病機制中的具體作用，結合基因組學和轉錄組學等方法闡明最終代謝物和相關基因之間的內在聯系；此外，由于腸道微生物的變化也會影響宿主的代謝型［38］，利用代謝組學和腸道微生物組學的聯合分析可以進一步了解PM2.5暴露在影響機體代謝中的作用。

總之，上述一系列研究提供了PM2.5暴露相關的全身或局部的潛在生物標志物，提高了對PM2.5暴露毒性機制和全身代謝效應的理解，同時還證實了代謝組學在研究復雜污染物毒性作用中的應用價值。