[中圖分類號]R256.1 [文獻標志碼]A [文章編號]doi:10.3969/j.issn.1674-070X.2025.06.030
Metabolomics analysis of particulate matter exposure-induced lung injuries and intervention with Chinese medicine
LU Jun ?1,2 ,LIUChang', LIU Ziyi’,HUANG Wenshuo',CHEN Zhuo',LU Fangguo1* 1.Scholof edicine,Hunan UniversityofChineseMedicine,ChngshaHunan4O2O8,China;2.ShoolofItegratedCinee and Western Medicine, Hunan University of Chinese Medicine, Changsha, Hunan 41O2O8,China
[Abstract]Asglobalenvironmental polutionintensifies,the healthimpactsofparticulatemater(PM) havegarnered significantatention.PMentersthelungsthroughtherespiratorytract,trigeringaseriesofpathologicalchangesandprofoundly afectinghuman metabolicprocesss.Thisreviewsummarizestheapplicationsof metabolomics technologyininvestigating lung injuriescausedbydiferentPMcategoriesandtheinterventionswithChinesemedicine,aiming touncoverpotentialbiomarkersof PM-induced lung damage and elucidatethe protective mechanisms of Chinese medicinethroughregulationof metabolic pathways. Bysyntheiingurrntresearchisvieidentifscriicalliitationsicdinghomogeneityiniosapleselectioiiicant variabilityinreseachocoesandcalengesidatainterpretatioFutureivestigaiosouldprioriteultiicsintated analysisplatforms,promotetheintegrationofmetabolomicswithChinesemedicine,therebyprovidingnovelperspectivesand methodologies for preventing and treating PM-induced lung injuries.
[Keywords]metabolomics;particulate matter; lung injury;metabolic pathway;biomarker
隨著城市化和工業(yè)化的加速,顆粒物污染問題日益嚴重。顆粒物主要來源于工業(yè)廢氣、汽車尾氣和燃煤等,其直徑從納米級到幾十微米。顆粒物的主要成分包括有機物、無機物和金屬元素等,這些成分通過呼吸道進入肺部后,可能通過干擾人體代謝過程,引發(fā)炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激等健康問題[1-2]
代謝組學被廣泛用于研究顆粒物與人體健康的關(guān)系,通過全面分析生物體內(nèi)的代謝物,揭示顆粒物對代謝過程的影響。中醫(yī)藥作為傳統(tǒng)醫(yī)學手段,在改善肺健康狀況方面有較大價值,結(jié)合代謝組學與中醫(yī)藥,可深入探究顆粒物致肺損傷機制及中醫(yī)藥在肺健康保護中的作用[3-4。雖然代謝組學技術(shù)應(yīng)用已久,但仍面臨數(shù)據(jù)解析復雜、不同研究結(jié)果的差異性較大等挑戰(zhàn),本文系統(tǒng)分析不同顆粒物致肺損傷的代謝組學特征及中醫(yī)藥干預機制,為后續(xù)研究提供更全面的視角。
1代謝組學概述
代謝組學作為后基因組時代的關(guān)鍵技術(shù),與基因組學、轉(zhuǎn)錄組學和蛋白質(zhì)組學共同構(gòu)成系統(tǒng)生物學研究的核心支柱[5。其理論基礎(chǔ)源于20世紀末Nicholls教授@提出的“metaboliteprofile\"概念,通過先進技術(shù)設(shè)備和跨領(lǐng)域方法,深入分析生物體內(nèi)小分子代謝物的變化模式及特征并揭示病理機制[6-7]。從技術(shù)層面看,代謝組學研究主要依賴核磁共振(nu-clear magnetic resonance,NMR)、質(zhì)譜(mass spec-trometry,MS)高效液相色譜(high performance liquidchromatography,HPLC)、氣相色譜(gaschromatogra-phy,GC)、色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(gaschromatography-massspectrometry,GC-MS)等技術(shù)手段,通過對生物樣本(血清、尿液、組織等)進行高通量檢測,獲得包含數(shù)千種代謝物的“代謝指紋圖譜\"8]。數(shù)據(jù)分析方面,代謝組學整合了多元統(tǒng)計分析(主成分分析、最小二乘法判別分析等)機器學習算法和代謝通路分析,推斷生物體健康狀況、關(guān)聯(lián)代謝途徑并發(fā)現(xiàn)相關(guān)生物標記物(biomarker)P。近年來,代謝組學被廣泛應(yīng)用于人類健康的關(guān)聯(lián)研究,也用于評估顆粒物對健康的危害[10-11]
2代謝組學技術(shù)在評估顆粒物暴露致肺損傷相關(guān)疾病風險中的應(yīng)用
顆粒物是懸浮在空氣中的固體或液態(tài)顆粒,分為塵粒、粉塵、霧塵、煤煙等。顆粒物對肺代謝有多重影響,長期暴露于高水平顆粒物可增加慢性支氣管炎、肺氣腫、肺纖維化、肺癌及其他呼吸系統(tǒng)問題的風險[12-14]。代謝組學技術(shù)通過分析顆粒物暴露后的代謝變化,能夠識別出與肺損傷相關(guān)的關(guān)鍵生物標志物,為揭示顆粒物污染的肺毒性機制提供重要依據(jù)[15]
2.1 PM2.5 暴露致肺損傷的代謝組學分析
2.1.1人群研究中的代謝組學發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代代謝組學技術(shù)已成為研究大氣污染健康效應(yīng)的關(guān)鍵手段,其應(yīng)用范圍涵蓋從宏觀人群到微觀單細胞的多層次研究[16-17]。多項人群研究揭示了 PM2.5 暴露的代謝干擾效應(yīng),例如LI等[8研究發(fā)現(xiàn),短期接觸交通污染物可能通過擾亂嘧啶代謝、脂肪酸代謝、組氨酸代謝和酪氨酸代謝等破壞氧化防御機制及新陳代謝等關(guān)鍵生命活動環(huán)節(jié)。另一篇關(guān)于大氣溫室氣體潛在危害的研究表明,GC-MS技術(shù)可挖掘出可能引發(fā)機體功能異常的物質(zhì),如L-半胱氨酸和尿囊素[]。健康成年人短期 PM25 暴露研究顯示,短期 PM25 暴露與高密度脂蛋白水平降低相關(guān),并引發(fā)炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激和神經(jīng)行為相關(guān)代謝通路的紊亂,氨基酸代謝物可能介導了 PM2.5 暴露對高密度脂蛋白的影響[20]。YU等[2]發(fā)現(xiàn)慢性阻塞性肺病患者 PM2.5 暴露后,其21種差異代謝物顯著改變,涉及7條代謝通路,其中精氨酸水平與疾病急性加重顯著相關(guān)。
2.1.2動物模型和體外細胞模型的代謝組學研究基于代謝組學技術(shù)的動物實驗為闡明 PM2.5 的肺損傷機制提供了重要證據(jù)。WANG等通過SD大鼠實驗?zāi)P徒Y(jié)合UPLC-MS技術(shù)分析發(fā)現(xiàn), PM2.5 可能通過擾亂脂質(zhì)-嘌呤代謝誘導肺損傷,同時 PM2.5 通過破壞促氧化/抗氧化平衡引發(fā)肺毒性。LI等[23在U-PLC-MS和微生物組學聯(lián)合分析中首次揭示 PM2.5 暴露后小鼠肺組織微生物群與代謝物穩(wěn)態(tài)的關(guān)聯(lián)性。ZHANG等[24利用 1H NMR技術(shù)發(fā)現(xiàn) PM2.5 暴露后的SD大鼠代謝紊亂主要涉及氨基酸和能量代謝途徑。此外,一項關(guān)于大氣重度污染暴露的大鼠血清代謝組學的研究揭示了乙酰磷酸和DL-2-氨基辛酸等獨特代謝產(chǎn)物可能是生物體應(yīng)對嚴重污染的首批信號物質(zhì)[25]。
應(yīng)用代謝組學技術(shù)解析 PM2.5 關(guān)鍵組分的肺毒性機制研究已取得重要進展,一項體內(nèi)外實驗研究證實苯并芘通過 Ca2+ 依賴途徑激活磷脂酶A2影響磷脂代謝,磷脂酶A2可能是改善 PM2.5 致肺損傷的藥物靶點2。利用NMR代謝分析平臺研究 PM2.5 處理的A549細胞代謝成分差異,發(fā)現(xiàn)丙氨酸、氨酸、乳酸、檸檬酸鹽等12種差異代謝物[27]。同樣, BALB/c 小鼠模型顯示血清和肺泡灌洗液中的5種代謝物對PM2.5 毒性具有極好的鑒別能力[28]
代謝組學技術(shù)為系統(tǒng)解析 PM2.5 肺毒性的分子機制提供了強有力的研究工具,其發(fā)現(xiàn)為環(huán)境健康風險評估和靶向干預策略開發(fā)奠定了重要基礎(chǔ)。見 表1。
代謝組學技術(shù)的應(yīng)用為工業(yè)粉塵致肺損傷的機制研究和臨床防治開辟了新途徑。
2.2工業(yè)粉塵顆粒物暴露致肺損傷的代謝組學分析
2.2.1工業(yè)粉塵的健康危害與研究意義工業(yè)粉塵暴露可導致多種職業(yè)性肺部疾病,包括硅沉著病、煤工塵肺和石棉沉著病等,嚴重威脅勞動者健康。硅沉著病作為典型塵肺病,主要特征為肺部間質(zhì)纖維化和硅結(jié)節(jié)形成。利用代謝組學技術(shù),可以精確地測量體內(nèi)流入的微小化合物數(shù)量,為生物標記的選擇提供便利[7,29-31]
2.2.2臨床研究進展多項臨床研究揭示了塵肺病的特征性代謝改變:XUE等3病例對照研究結(jié)果顯示硅沉著病患者血漿中L-精氨酸和犬尿氨酸與硅沉著病嚴重程度相關(guān),可能具有疾病監(jiān)測的預測價值。一項塵肺患者血漿代謝組學分析表明,塵肺患者與正常對照組存在7條顯著改變的差異代謝通路,其中氨酰tRNA生物合成途徑變化最為突出[33]。CHEN等34研究發(fā)現(xiàn)對羥基苯甲酸丙酯可能是職業(yè)性煤炭工人塵肺的潛在生物標志物。SHI等3通過脂質(zhì)代謝組學分析發(fā)現(xiàn)塵肺病患者多種脂質(zhì)差異代謝物與臨床表型相關(guān),該研究揭示了塵肺病的代謝異質(zhì)性特征。
2.2.3動物模型研究動物實驗為闡明粉塵肺毒性代謝機制提供了重要證據(jù):王苗苗3聯(lián)合微生物組學分析發(fā)現(xiàn)煤礦粉塵和二氧化硅粉塵可分別影響果糖代謝和鞘脂代謝途徑。PANG等3通過整合多組學研究揭示了花生四烯酸代謝通路在硅沉著病小鼠進展中的關(guān)鍵作用。QIU等[38在不同劑量二氧化硅誘導的小鼠肺纖維化研究中證實小鼠肺組織的代謝失衡主要與精氨酸/脯氨酸代謝、戊糖磷酸代謝等5條差異代謝通路有關(guān)。此外,硅塵大鼠模型的代謝組學研究揭示了特征性脂質(zhì)代謝產(chǎn)物改變,為硅沉著病研究提供了可靠的脂質(zhì)代謝標志物[39-40]。見表2。
代謝組學技術(shù)的應(yīng)用為工業(yè)粉塵致肺損傷的機制研究和臨床防治開辟了新途徑。
2.3新型材料及煙草顆粒物暴露致肺損傷的代謝組學分析
2.3.1新型材料顆粒物致肺損傷的代謝特征近年來,隨著納米技術(shù)和新型材料的快速發(fā)展,其潛在的肺毒性效應(yīng)日益受到關(guān)注,代謝組學系統(tǒng)揭示了不同顆粒物的致病機制。
(1)油霧顆粒物:NIE等4結(jié)合了16SrRNA測序、蛋白質(zhì)組學和LC-MS/MS代謝組學,發(fā)現(xiàn)油霧顆粒物干擾肺代謝物穩(wěn)態(tài),誘導細胞外基質(zhì)蛋白質(zhì)異常調(diào)節(jié)和免疫反應(yīng),最終導致嚴重的炎癥反應(yīng)。
(2)模擬月塵顆粒:代謝組學與轉(zhuǎn)錄組學聯(lián)合分 析表明,氨基酸代謝紊亂是月塵致肺損傷的關(guān)鍵機 制,氨基酸代謝物有可能成為月塵暴露肺部疾病的 潛在性生物標志物[42]
(3)納米顆粒(nano-particles,NPs):LIN等[43]研究發(fā)現(xiàn) 80nm NPs可穿透LO2肝細胞和BEAS-2B肺細胞并誘導線粒體損傷,破壞能量代謝通路;而HOU和DU的研究[44-45]則表明,炭黑納米顆粒(carbonblacknanoparticles,CBNPs)可能通過干擾三羧酸循環(huán)及氨基酸代謝誘導A549細胞毒性。
2.3.2煙草顆粒物致肺損傷的代謝效應(yīng)煙草煙霧中主要包括芳香胺類、亞硝胺、氧化劑(如氧自由基)和高濃度有害醛類,這些化合物是導致癌癥、慢性阻塞性肺疾病和心臟病等多種疾病的主要原因[46。
代謝組學研究揭示了煙草煙霧獨特的致病特征:王麗萍等4通過對吸煙者進行尿液代謝組學分析發(fā)現(xiàn),吸煙者酪氨酸代謝通路顯著改變,這可能是肺癌發(fā)生的重要機制。此外,石先哲等4的研究表明,薄荷煙可改變大鼠尿液中犬尿喹啉酸等關(guān)鍵代謝物水平,進而升高患病風險。蘇加坤等4應(yīng)用液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)發(fā)現(xiàn)煙草顆??赡芡ㄟ^擾亂磷脂和脂肪酸代謝紊亂導致大鼠肺損傷,具體毒性成分仍需進一步研究。
3代謝組學技術(shù)在中醫(yī)藥干預顆粒物致肺損傷相關(guān)疾病中的應(yīng)用
3.1 研究背景與意義
顆粒物暴露引發(fā)的肺損傷等健康問題已成為全球性公共衛(wèi)生挑戰(zhàn)。中醫(yī)藥憑借其整體調(diào)節(jié)和多靶點干預的特點,結(jié)合現(xiàn)代代謝組學技術(shù),為防治顆粒物相關(guān)呼吸系統(tǒng)疾病提供了新思路。代謝組學通過系統(tǒng)分析生物體內(nèi)小分子代謝物的變化,能夠揭示中醫(yī)藥干預的分子機制,為闡明其藥效物質(zhì)基礎(chǔ)和作用靶點提供科學依據(jù)[50-52]
3.2單味藥及有效成分干預的代謝組學分析
LIU等[53研究表明,牛蒡子素和牛蒡子苷可通過TLR-4/NLRP3/TGF- ?β 信號通路改善二氧化硅誘導的肺氧化損傷,調(diào)節(jié)泛酸和輔酶A生物合成等代謝途徑;尿液肉豆蔻酸、血清4-羥脯氨酸和 L -精氨酸可作為硅沉著病纖維化診斷和干預的生物標志物。LIU等[54探究阿膠對 PM2.5 致肺損傷的保護作用,發(fā)現(xiàn)阿膠通過抑制精氨酸酶-1活性,調(diào)節(jié) PM2.5 引起的代謝失衡,維持免疫平衡。柴油廢氣顆粒作為顆粒物的重要組分,其暴露可導致線粒體NADH脫氫酶基因表達異常,進而加重肺損傷進程[55]。代謝組學研究表明,牛黃有效成分?;撬嵬ㄟ^修復線粒體功能障礙可有效緩解肺氣腫癥狀5。秦楊等7研究表明,蘿卜硫素的干預可緩解 PM2.5 導致的小鼠色氨酸、脂肪酸代謝紊亂, PPARγ 的調(diào)控是潛在的防治機制。
此外,梁軍等[58發(fā)現(xiàn),麻黃多糖ESP-B4可調(diào)節(jié)PM2.5 聯(lián)合OVA誘導的哮喘小鼠血液中的代謝物質(zhì),甘油磷脂代謝和花生四烯酸代謝是主要影響因素。孕鼠實驗研究表明,羅漢果苷可干預 PM2.5 暴露后炎癥介質(zhì)分泌型磷酸酶A2亞型 Pla2g2d 及其代謝物溶血磷脂酰膽堿和花生四烯酸的表達[59-60]
3.3復方制劑干預的代謝組學分析
TANG等發(fā)現(xiàn)養(yǎng)陰清肺湯可通過調(diào)節(jié)不飽和脂肪酸的生物合成及亞油酸和花生四烯酸代謝,降低促炎介質(zhì)水平,進而改善 PM25 誘導的小鼠肺損傷。熊夢冉等的研究表明,清肺降霾湯可加速體內(nèi)揮發(fā)性有機化合物的代謝產(chǎn)物N-乙?;?S-(2-羥基乙基)- -半胱氨酸的排泄,同時增強身體對 PM2.5 中有害物質(zhì)的耐受性。付志星等揭示了溶血磷脂酰膽堿、腺苷、黃嘌呤等可能是款冬花熏吸改善香煙煙霧誘導肺損傷的生物標志物,為款冬花的應(yīng)用及產(chǎn)品開發(fā)提供實驗數(shù)據(jù)支持。見表3。
總之,代謝組學技術(shù)通過對比中醫(yī)藥干預前后的代謝譜變化,識別顆粒物致肺損傷的關(guān)鍵代謝通路和特異性代謝物(如脂質(zhì)、氨基酸等),明確中醫(yī)藥干預顆粒物肺毒性的作用機制。通過分析個體代謝差異,為中醫(yī)藥個體化治療提供依據(jù),優(yōu)化療效。結(jié)合NMR、MS等技術(shù)生成數(shù)據(jù),通過多組學聯(lián)用和生物信息學挖掘潛在機制,為研究提供科學依據(jù)(圖1)。
4總結(jié)
代謝組學的出現(xiàn)使得在探究顆粒物與肺健康問題上更加科學與高效,也為中醫(yī)藥防治顆粒物相關(guān)肺損傷研究開拓思路,但仍面臨諸多挑戰(zhàn)。顆粒物的成分類別復雜,現(xiàn)有研究多聚焦 PM2.5 和二氧化硅等單一組分,對復雜顆粒物(如新型材料顆粒、多組分聯(lián)合毒性)的代謝特征探索不足。未來需擴展至其他有害組分,并系統(tǒng)評估其協(xié)同毒性效應(yīng)。同時增加不同類型中藥的干預研究,提高研究質(zhì)量和深度,為公眾健康提供更有力的科學支持。
當前代謝組學分析顆粒物暴露致肺損傷的研究普遍存在樣本量小、生物樣本單一(如僅用血清或尿液)、檢測技術(shù)和不同研究結(jié)果差異大等問題。未來研究通過擴大樣本規(guī)模、統(tǒng)一樣本處理流程、結(jié)合NMR與MS等多技術(shù)聯(lián)用并優(yōu)化檢測技術(shù)參數(shù)以提升謝組學數(shù)據(jù)的可比性和準確性。中醫(yī)藥干預涉及基因-蛋白-代謝物多維調(diào)控,需要多組學整合分析來揭示復雜疾病機制和藥物作用機制。但多組學數(shù)據(jù)異質(zhì)性高、分析工具不足。需開發(fā)新型生物信息學工具和算法,建立標準化的數(shù)據(jù)分析流程,挖掘多組學數(shù)據(jù)中的潛在關(guān)聯(lián),以構(gòu)建系統(tǒng)性調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。靈敏、特異、可靠的生物標志物的挖掘仍是該領(lǐng)域的重難點。優(yōu)化數(shù)據(jù)預處理方式,采用多元先進分析方法,提高檢測靈敏度,為生物標志物進行靶向?qū)嶒烌炞C可為提升代謝組標志物靈敏性和特異性提供思路。
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(本文編輯蘇維)