随机交叉对照研究揭示交通型空气污染影响呼吸系统健康的分子机制

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(供稿:诸心蕾)

近日,复旦大学公共卫生学院阚海东教授、蔡婧副教授课题组开展随机交叉对照研究,定量分析了交通环境空气污染暴露对成人呼吸系统功能损伤,并探索其分子生物机制。研究结果以“Respiratory Effects of Traffic-Related Air Pollution: A Randomized, Crossover Analysis of Lung Function, Airway Metabolome, and Biomarkers of Airway Injury”为题发表在环境健康领域知名杂志Environmental Health Perspectives(https://doi.org/10.1289/EHP11139)。

随着车辆保有量的急剧增加,交通型空气污染(traffic-related air pollution,TRAP)已经成为城市地区大气污染的主要来源。TRAP主要由交通运输过程中的发动机排放、轮胎与路面摩擦、刹车磨损以及扬起的颗粒等过程产生,其空气污染物包括细颗粒物(Fine Particles Matter,PM2.5)、超细颗粒物(Ultrafine Particles,UFP)、黑碳(Black carbon,BC)等颗粒物污染物,以及一氧化碳(carbon monoxide,CO)和二氧化氮(nitrogen dioxide,NO2)等多种气态污染物。在日常生活中,人们可能在上下班通勤、乘车出行、休闲散步等多个场景下暴露于高浓度的TRAP;因此,TRAP对居民健康的影响日益受到关注。呼吸系统是人体暴露于空气污染的第一道屏障。既往大量研究已经报道了TRAP与多种呼吸系统健康损害之间的关联,例如TRAP可显著增加哮喘、慢性阻塞性肺病等呼吸系统疾病发病与死亡的发生风险。然而,TRAP影响呼吸系统健康的因果关系仍未被系统阐明,影响呼吸系统的潜在分子生物学机制仍有待探究。

针对这一问题,课题组开展了基于真实生活场景的随机交叉对照研究。该研究分别以交通环境(马路)与清洁环境(公园)场景作为干预与对照,在控制了环境噪音、膳食等可能混杂因素的基础上,对受试者呼吸系统症状、靶向生物标志物水平及呼出气冷凝液(exhaled breath condensate,EBC)非靶向代谢在两种场景暴露前后的差异进行分析。

本研究发现与清洁环境暴露相比,交通型空气污染暴露后志愿者呼吸系统症状总分显著增加,肺功能指标FEV1与MMEF显著下降。通过对比相关生物标志水平在两种场景暴露后的差异,本研究还发现与清洁环境相比,暴露于交通环境可引起志愿者血清SP-D与EBC ezrin蛋白(表征呼吸道上皮损伤)显著改变;这两种标志物水平的变化与典型交通空气污染物UFP、BC、NO2、CO的暴露显著相关。

本研究进一步基于呼出气冷凝液的非靶向代谢组检测与Mummichog通路分析,分别在阳离子、阴离子模式下富集出23、32条与交通型空气污染急性暴露有关的代谢通路,并识别出相关代谢通路主要涉及炎症反应代谢、氧化应激代谢、能量利用代谢,包括精氨酸和脯氨酸代谢、白三烯代谢、亚油酸代谢、嘌呤代谢、蛋氨酸和半胱氨酸代谢、维生素E代谢、TCA循环等。同时,基于代谢通路富集结果共定性出27种特征代谢物(图1)。

图1、交通型空气污染暴露相关代谢通路热图

根据上述研究结果,并结合已有文献报道,本研究提出交通型空气污染暴露引起呼吸系统损伤的可能生物学机制(图2):交通型空气污染急性暴露可能引发炎症、氧化应激与能量代谢紊乱,进而发生呼吸道代谢改变,导致呼吸道上皮损伤与通透性增加,继而发生肺功能下降以及呼吸系统症状出现。

图2、TRAP引起呼吸系统代谢改变、上皮损伤、肺功能下降、呼吸系统症状出现的可能生物学机制通路

本研究是依托真实生活场景的随机交叉对照试验研究,通过高通量代谢组学的分析,为交通型空气污染暴露引起的呼吸道代谢组改变提供了证据。研究结果形成了从临床指标-效应标志-小分子代谢产物的多层级生物学效应证据链条,为交通型空气污染暴露与呼吸系统健康效应之间的关联提供了来自分子水平的生物学机制解释,从而也为政府部门控制交通型空气污染、保障公众健康出行提供了有力支撑。

复旦大学公共卫生学院博士研究生诸心蕾为该论文的第一作者,复旦大学公共卫生学院阚海东教授、蔡婧副教授为该论文的共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划重点专项(2016YFC0206202),国家自然科学基金(92043301, 91843302, 82030103, 91543114和81502774)及上海市公共卫生三年行动计划(GWV-10.1-XK11)等项目的资助。

 

文章链接:https://doi.org/10.1289/EHP11139

引用格式:Zhu X, Zhang Q, Du X, et al. Respiratory Effects of Traffic-Related Air Pollution: A Randomized, Crossover Analysis of Lung Function, Airway Metabolome, and Biomarkers of Airway Injury. Environ Health Perspect. 2023;131(5):57002. doi:10.1289/EHP11139.