科研| ENVIRON SCI TECHNOL：工业致癌污染物暴露对儿童和青少年代谢组学的影响

编译：Tracy，编辑：谢衣、江舜尧。

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导读

关于致癌物影响儿童和青少年代谢的研究十分有限。本研究目的是检测生活在台湾最大的石油化工厂周围的107名儿童和青少年（9-15岁）暴露于多种工业致癌物的体内代谢情况。共检测了尿液中8种致癌物质（重金属和以1-羟基芘为代表的多环芳烃）、以及作为早期健康效应指标的尿液中的氧化应激生物标志物和血清中的酰基肉碱。采用液相色谱-质谱联用技术对血清代谢组学进行检测分析。一共发现了10种潜在的代谢物的改变可以将1类致癌物（砷、镉、铬、镍）和2类致癌物（矾、汞、多环芳烃）暴露与氧化应激水平增强和血清酰基肉碱水平降低联系起来。这些代谢物的改变主要涉及嘌呤代谢、柠檬酸循环、脂肪酸代谢和谷胱甘肽代谢。其中嘌呤代谢的改变被认为是儿童和青少年接触致癌物质的潜在机制。这些发现有助于了解儿童和青少年在发育关键时期暴露于多种工业致癌物对其健康的影响。

论文ID

原名：Metabolomics ofChildren and Adolescents Exposed to Industrial Carcinogenic Pollutants

译名：暴露于工业致癌污染物的儿童和青少年的代谢组学分析

期刊：EnvironmentalScience & Technology

IF：7.149

发表时间：2019.07

通讯作者：詹长权

通讯作者单位：国立台湾大学公共卫生学院

实验设计

1.     研究地点

本研究地区位于台湾中部西海岸的云林县，台湾最大的石化企业石脑油6号裂化厂就位于该地区。研究对象是从680名儿童和青少年（9-15岁）中选择出来的，这些儿童和青少年居住在距离化工厂较近的三个城镇（粉红色标注）和较远的七个城镇（黄色标注）均超过五年，见图2。

图2 研究地点。（A）台湾云林县地理位置；（B）红色点表示高暴露组中的参与者居住地点，绿色点表示低暴露组中的参与者居住地点。

2.     研究人群招募

所有的参与者都完成了问卷调查并提供了晨尿和空腹血样。前期研究中，已确定可以将尿液中矾和1-羟基芘作为特定的石化工业排放的暴露生物标志物。在680名参与者中，有49人居住在离化工厂较近的三个城镇，其尿液中矾和1-羟基芘的浓度处于总人群中的前60%，把他们作为高暴露组；另外71人居住在较远的城镇，其两种暴露生物标志物的尿液浓度处于队列人群中的后40%，将他们作为低暴露组。在考虑血清样本的可用性后，最终确定高、低暴露组分别纳入了37名和70名儿童和青少年作为本次研究的参与者。

3.     检测指标

（1）外暴露评估：通过使用地理信息系统软件来评估研究对象居住环境的外暴露情况；（2）内暴露评估：采用ICP-MS检测尿液中的重金属水平（砷、镉、铬、镍、铅、矾和汞）；采用HPLC-MS检测尿液中的1-羟基芘水平；（3）反映氧化应激的生物指标：8-OHdG（自由基诱导DNA损伤的最常用的生物标志物）、HNE-MA（脂质过氧化产物4-羟基-2-壬烯醛的代谢物，可形成DNA加合物导致DNA损伤）、8-isoPF_2α（花生四烯酸发生过氧化反应的生物标志物）、8-NO₂Gua（炎症条件下产生的RNS诱导的DNA损伤形成的标志物）；（4）酰基肉碱检测：采用UHPLC-MS检测血清中31种酰基肉碱水平；（5）代谢组学检测：采用UHPLC-MS检测到了血清中84种代谢物特征。

4. 数据分析

采用Metaboanalyst 4.0软件进行PLS-DA分析来确定与暴露相关的潜在代谢物；使用ANCOVA分析来比较高、低暴露组的每个代谢物的峰值面积，并根据年龄、性别和BMI进行校正；采用“gWQS”R包中的加权组合分位数（WQS）回归分析，确定与早期健康相关的潜在代谢物，并校正了性别、年龄和BMI；采用Metaboanalyst 4.0软件进行代谢通路分析。

实验结果

高暴露组中的参与者尿液中的1类致癌物（砷、镉）、2A类致癌物（1-羟基芘）、2B类致癌物（矾、汞）、和氧化应激生物标志物（HNE-MA）水平均显著高于低暴露组（表1）。

表1 比较高、低暴露组的基本特征、致癌物质暴露和氧化应激生物标志物水平。

与低暴露组相比，高暴露组中参与者的血清中有5种长链酰基肉碱表达水平下调，和1种短链酰基肉碱表达水平上调（图3）。

图3 热图分析高、低暴露组参与者血清酰基肉碱水平。

通过PLS-DA分析84个代谢物特征，结果显示代谢谱可在高、低暴露组之间被显著分开（图4A）。

图4A 组间血清代谢物PLS-DA分析。

差异比较分析显示，与低暴露组相比，高暴露组中的酮酸、肉碱、异戊基肉碱、天冬氨酸和辛烯酰肉碱水平显著上调，而焦谷氨酸、单磷酸腺苷（AMP）、肌酐单磷酸（IMP）、草酰戊二酸和苹果酸水平显著下调（图4B）。

图4B 热图分析与暴露相关的潜在代谢物水平。

在1类致癌物中，只有尿镉水平与8-NO₂Gua水平呈显著正相关；在2类致癌物中，尿矾水平与HNE-MA、8-NO₂Gua和8-isoPF_2α水平呈显著正相关，尿汞水平与8-OHdG和HNE-MA呈显著正相关（表2）。

表2 尿液中的致癌物质与氧化应激标志物之间的关系。

影响8-OHdG水平的致癌物依次为汞、镍、砷和镉，其中汞占49.7%（图5A）；汞、矾为主要影响HNE-MA水平的2类致癌物，分别占43.3%和31.1%（图5B）；影响8-isoPF_2α水平的致癌物也主要是汞（36.9%）、矾（31.6%），其次为1类致癌物镍（19.4%）、铬和砷（图5C）；影响8-NO₂Gua水平的致癌物主要是矾（50.1%）、镍（32.0%），其次是镉、铬和砷（图5D）。

图5 WQS回归分析8种致癌物质复合暴露对氧化应激水平的影响。

8-OHdG与焦谷氨酸和肌苷酸显著相关；HNE-MA与酮酸、辛烯酰肉碱、焦谷氨酸、AMP和IMP显著相关；8-isoPF_2α与辛烯酰肉碱显著相关；8-NO₂Gua与暴露相关的潜在代谢物无显著相关性。5种C14长链酰基肉碱与肉碱、辛烯酰肉碱和焦谷氨酸有显著相关性，5种C19长链酰基肉碱与肉碱、辛烯酰肉碱、焦谷氨酸、AMP和IMP有显著相关性。C16:1长链酰基肉碱与肉碱和辛烯酰肉碱有显著相关性。C6短链酰基肉碱与酮酸、异戊基肉碱和焦谷氨酸显著相关。在暴露相关的潜在代谢物中，辛烯酰肉碱与两种氧化应激生物标志物和三种长链酰基肉碱有关，焦谷氨酸与两种氧化应激生物标志物、短链酰基肉碱和两种长链酰基肉碱有关。天冬氨酸、草酰戊二酸和苹果酸与任何反映早期健康效应的生物标志物都没有显著相关性（表3）。

表3 暴露相关的潜在代谢物与反映早期健康效应的生物标志物之间的关系。

讨论

前期研究主要集中在单一致癌物质暴露与氧化应激之间的关系，只有对成年人的职业暴露研究报道了多种重金属暴露与氧化应激之间的关系。由于本研究中的儿童和青少年同时暴露于多种致癌物中，因此很难找到特定的致癌物与氧化应激之间的一对一关系。因为在复合暴露中，每种致癌物质引起的氧化应激水平不尽相同。该研究的优势在于，应用了WQS回归分析来探讨8种复合致癌物暴露与4种氧化应激生物标志物的关系，结果显示1类和2类致癌物均与4种氧化应激生物标志物呈正相关，而且还判定了不同致癌物暴露对氧化应激影响的贡献程度。

本研究首次报道了多种致癌物暴露可能与儿童和青少年血清酰基肉碱水平的改变有关。先前的研究表明，酰基肉碱是癌症诊断的候选标志物，而且短链和长链酰基肉碱的上调和下调在不同类型癌症中有差别。该研究确定了儿童和青少年接触多种致癌物质后血清酰基肉碱水平失调，这表明有癌症风险增加的可能性。嘌呤代谢的失调与早期癌症的发生和癌症的进展有关。嘌呤代谢参与能量产生和信号转导，该途径产生的酶和代谢产物可通过活性物质和抗氧化产物介导氧化应激反应。研究结果表明，暴露于多种致癌物质可引起嘌呤代谢紊乱，并与氧化应激反应增加和血清酰基肉碱水平的改变有关。

另外，多种致癌物暴露与几种潜在的代谢物有关，这些代谢物无法在通路分析中进行总结，但在一些癌症研究中报道过这些代谢物参与了重要的生物学过程。儿童和青少年接触多种致癌物质可能会影响脂肪酸氧化和能量产生的过程从而导致酰基肉碱的代谢失调。研究中发现的与暴露相关的4种潜在代谢物在早期非小细胞癌患者中也表现出类似的改变模式，包括血清天冬氨酸和肉碱水平升高，苹果酸和焦谷氨酸水平降低。儿童和青少年接触多种致癌物质可能会导致脂肪酸氧化、能量产生、氧化应激和氨基酸代谢等多种生物学过程的紊乱。

评论

在儿童和青少年发育的关键时期，多种致癌物质的暴露会导致儿童和青少年的代谢紊乱，这与早期健康效应有关，可能会增加日后患癌症的风险。降低有毒物质的排放可以减少多种致癌物的暴露和代谢异常，这可能潜在地减低居住在石油厂附近儿童和青少年患癌症的风险。如果未来致癌物排放并无减少，在这一领域开展纵向流行病学研究，跟踪调查儿童和青少年的健康状况十分必要。

原文网址：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.9b00392