科研|ENVIRON INT:空气污染可引起孕妇血清中与氧化应激和炎症相关的代谢物变化
编译：Tracy，编辑：谢衣、江舜尧。
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妊娠期间，母体暴露于交通相关的空气污染物会增加新生儿不良出生结局和神经发育障碍的风险，但其具体机制还有待明确。目前可利用代谢组学技术，从代谢角度来探究空气污染对母体血清代谢物的影响，进而探明其中间的生物学机制。研究者在空气中微粒含量高的加州中部募集了160名孕中期孕妇的血清样本，并以孕妇居住地址为基础利用CALINE4模型评估孕妇孕早期交通相关的空气污染情况，指标包含CO、NO和<2.5 μm颗粒物。利用非靶向代谢组学技术检测血清中的代谢谱，运用偏最小二乘判别分析（PLS-DA）来筛选与空气污染有关的代谢物，采用通路分析来明确与空气污染相关的生物学代谢通路。在阳离子和阴离子采集模式下，分别采集到了4038和4957个孕妇血清的代谢物特征。通过校正混杂因素（如孕妇年龄、种族和受教育程度）后，在阳离子和阴离子采集模式下分别有181和251种代谢物在高、低空气污染暴露组间存在显著差异。通路富集分析结果显示，这些差异代谢物主要富集在亚油酸、白三烯和前列腺素代谢通路上，与氧化应激和炎症密切相关。这些途径的改变会可能会影响妊娠并发症发生和新生儿的不良出生结局。
论文ID
原名：Maternal serum metabolome and traffic-related air pollution exposure in pregnancy
译名：孕期交通相关的空气污染物暴露与孕妇血清代谢组
期刊：Environment International
IF:7.943
发表时间：2019.5
通讯作者：Beate Ritz
通讯作者单位：美国加州大学洛杉矶分校公共卫生学院
实验设计
本研究利用2005-2010年加利福尼亚的出生记录，符合纳入条件的孕妇都居住在加州中央山谷地区，其孩子出生时健康，孕中期都收集到了充足的孕妇血清。以孕妇居住地址为基础，利用CALINE4模型评估孕妇孕早期交通相关的空气污染物暴露情况，指标包含CO、NO和<2.5 μm颗粒物。把居住地的空气污染指标分布在第75百分位及以上的孕妇作为高暴露组，居住地空气污染指标分布低于第35百分位的孕妇作为低暴露组。最终共纳入了160名孕妇（高暴露组n = 98, 低暴露组n = 62）。血清样本提取物一式三份，采用双柱串联-超高效液相色谱-质谱法，分别在正、负离子采集模式下得到离子的m/z特征，并进行批量校正。对代谢组学数据进行过滤，缺失值由所有样本中检测到的该特征的最低信号的一半进行估算。分析前对数据进行log2变换。通过比较线性回归模型中各变量的残差，最终纳入的混杂因素包括孕妇年龄、种族和受教育程度。采用有监督的、多变量的降维分析方法－PLS-DA模型来确定与空气污染暴露相关的特征代谢物。通过计算差异倍数得到高、低暴露组的差异代谢物，并用交叉验证实验来评估其准确度。采用mixOmics v6.3.1R包来完成以上数据分析。随后，使用Python中的Mummichog (v. 1.0.10)程序进行通路富集分析，最终只保留至少有3个重叠代谢物的富集通路进行进一步的评估和注释。
注：Mummichog是一个免费的Python程序，可用于分析高通量、非靶向代谢组学数据。 它可以绕过质谱定性分析，直接利用色谱柱分离后的特征峰数据预测代谢物的功能活动。
实验结果
在这一研究人群中，年龄较轻、受教育程度较低或原籍为西班牙裔的孕妇住所附近的空气污染更严重（表1）。
在孕妇血清样本中总共检测到了14555个特征峰，经过数据过滤后，HILIC和C18分离柱分别保留得到4038和4957个特征峰。通过校正混杂因素和设置VIP得分>2，PLS-DA模型结果显示从HILIC和C18分离柱中分别分离鉴定出了181和251个与孕期空气污染暴露相关的代谢物特征峰（图1）。
在相同条件下，通过使用串联质谱最终确定了6种代谢物，其中肌酐和肌醇与空气污染程度呈正相关，而丝氨酸、L-组氨酸、亚油酸和十七烷酸与空气污染程度呈负相关（表2）。
利用Mummichog程序检测PLS-DA模型中的差异代谢物特征峰富集于24条代谢通路上(P < 0.05) (表3)。
讨论
细胞膜是空气污染物中的活性氧主要攻击目标之一。氧化应激可诱导磷脂酶A2（PLA2）的活化，从而使细胞膜中的水解磷脂（PL）分解生成多不饱和游离脂肪酸和溶血磷脂（lyso-PL）。在这个过程中主要释放的多不饱和脂肪酸（PUFA）为亚油酸和花生四烯酸，这些脂肪酸随后会被不同种类的氧合酶氧化。亚油酸属于ω-6多不饱和脂肪酸，在脂氧合酶（LOX）作用下可代谢分解为9-HPODE和13-HPODE，这两种产物随后可转化成9-HODE和13-HODE，二者都是脂质受到氧化应激影响的潜在生物标志物。本研究中发现空气污染物暴露与13-HODE水平升高有关，而在高暴露组孕妇血清中的亚油酸以及13-HODE的下游产物13-oxo-ODE水平是较低的。γ-亚麻酸是一种抗炎代谢物可抑制白三烯B4（LTB4）的生物合成，而研究结果显示γ-亚麻酸与空气污染物暴露是呈负相关的。
另一种ω-6多不饱和脂肪酸—花生四烯酸也会受到空气污染诱导的氧化应激影响。花生四烯酸是关键的炎症中间体，它可以从细胞膜中释放出来，通过多种途径转化成二十烷酸。在LOX途径中，花生四烯酸被双加氧生成HPETE，随后被转化成白三烯和其它脂氧素；在环氧合酶（COX）途径中，花生四烯酸可被转化生成前列腺素。白三烯和前列腺素都是主要的促炎介质。在该研究中发现，空气污染高暴露组中LTB4的两种下游代谢产物12-oxo-LTB4和10,11-dihydro-12-oxo-LTB4在分别是降低和升高的，这可能是由于12-oxo-LTB4被快速代谢为10,11-dihydro-12-oxo-LTB4导致的。LTB4是能引起炎症反应的脂质趋化因子，可以通过LOX途径合成，并招募白细胞产生炎症反应，由于其促炎作用，妊娠期间LTB4及其代谢物水平的改变与多种不良出生结局和妊娠并发症密切相关。在通路富集分析中注释到了前列腺素途径中的8个特征代谢物，包括多种前列腺素和相关代谢物。前列腺素在妊娠过程中与血管舒张和子宫收缩有关，其代谢通路的紊乱很可能是胎盘和子宫血流异常的原因之一。
除了脂质相关代谢途径外，维生素E的代谢也与氧化应激密切相关，它可以通过物理或化学方式阻断过氧化反应，从而保护膜脂质不被氧化。维生素E中的生育酚和生育三烯醇分别是脂溶性抗氧化剂和脂质过氧化自由基清除剂。本研究发现在空气污染暴露环境下，血清中的生育三烯醇代谢产物可随着抗氧化剂减少和氧化代谢产物增加而发生变化的。另外一些氨基酸代谢途径也会受到空气污染的影响，如组氨酸及其代谢途径与空气污染物暴露是呈负相关的，而组氨酸是能发挥一定的抗炎作用。
评论
空气污染一直以来都是全球密切关注的环境问题与人类健康息息相关。孕妇作为易感人群，孕期接触不同来源的空气污染物如氮氧化合物、颗粒物、一氧化碳以及臭氧都会增加发生妊娠并发症和新生儿不良出生结局的风险。目前针对空气污染物暴露对孕妇体内代谢过程影响的代谢组学研究还非常少。而本研究利用非靶向代谢组学技术，发现与交通相关的空气污染物暴露引起的孕妇血清代谢物改变主要富集在氧化应激和炎症反应通路上。母体的氧化应激可能会造成体内主要的细胞损伤，继而引起相关的炎症反应，这尤其可能会影响胎盘及其功能，从而增加不良分娩结局的风险。
原文网址：https://doi.org/10.1016/j.envint.2019.05.066