科研| ENVIRON INT：室内空气中的负离子、颗粒物与心肺功能之间的代谢联系（国人佳作）
编译：Tracy，编辑：谢衣、江舜尧。
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环境空气污染是全球性的新兴环境问题。流行病学证据表明，人们约有80%的时间待在室内，而室内空气污染对健康的影响与环境空气污染同等严重甚至更大。目前，电离型空气净化器因其低耗能、低噪声而被人们广泛使用。这类净化器可以产生大量的空气负离子（NAI），使带正离子的小颗粒聚集成较大的颗粒，然后通过重力作用沉降，从而达到净化空气的效果。体内和体外实验中空气NAI对心肺功能的影响结果不一致。而且，目前鲜有人群研究阐明NAI对心肺功能的潜在作用。代谢组学是筛选体内暴露和效应相关代谢物的有效工具，代谢物可反映由环境暴露引起的功能变化的最终结果。
本研究旨在探讨室内空气净化后NAI和颗粒物（PM）与心肺功能之间的代谢联系。在一项随机、双盲交叉研究中，每个研究时间段收集了44名健康儿童的3次尿液样本。采用超高效液相色谱/质谱联用技术进行代谢组学分析。利用基于统计和代谢途径分析的meet-in-metabolite approach（MIMA）来探究室内NAI、PM的降低与心肺功能之间的关系。混合效应模型用于建立暴露、健康指标和代谢物之间的联系。结果显示分别有28种和14种代谢物与空气NAI和PM显著相关，而与呼吸功能相关的代谢物有8种，与心率变异性相关的代谢物有18种。增加空气中的NAI和减少PM可通过增加能量的产生，提高抗炎和抗氧化能力来改善呼吸功能。减少空气中的PM可增加能量的产生和抗炎能力来改善心脏的自主功能，但是这些益处可被空气中增加的NAI大量抵消，因为空气中NAI的增加可通过不同的代谢途径来削弱能量的产生和抗氧化能力。
论文ID
原名：Metabolic linkages between indoor negative air ions, particulate matter and cardiorespiratory function: A randomized, double-blind crossover study among children
译名：室内空气中的负离子、颗粒物与心肺功能之间的代谢联系：一项儿童随机、双盲、交叉研究
期刊：Environment International
IF：7.577
发表时间：2020.03
通讯作者：邓芙蓉、申河清
通讯作者单位：北京大学公共卫生学院、厦门大学公共卫生学院
实验设计
1. 研究设计和人群招募
该项随机、双盲、交叉研究从北京一所中学的6个教室中招募了48名11-14岁中学生。为了减少班级和性别的偏倚，按照班级和性别进行分层抽样，然后通过简单的随机抽样，每个教室随机招募4名男生和4名女生，共48名参与者。在研究期间要求参与者尽可能待在室内，并完成一份关于时间定位的自我管理的活动问卷。每个教室都安装了6台电离型空气净化器，实验组打开净化器，而对照组则关闭净化器，其他条件都一致。在每个研究期间（5个工作日），6个班级按随机顺序接受交替的空气净化，中间有2个月的洗脱期（图1A）。
2. 室内空气污染暴露和健康监测
在每个教室相同位置的呼吸区高度（离地面约1.2米）安装暴露监测装置，每个工作日的测量时间为上午7点至下午5点。主要测量的室内指标有PM、NAI、O3、温度和相对湿度。研究人员在每个研究期间的周一、周三和周五对受试者进行动态心电图和肺活量测定，如呼出气一氧化碳浓度（FeNO）可作为反映气道炎症的标志物，心率变异性（HRV）是评估自主神经系统功能的有效指标。
3. 尿液收集和代谢物筛选
研究期间的周一、周三和周五的下午5:00收集参与者的中段尿液样本，并储存在-80℃直到进行代谢组学检测分析。每个参与者的三个样本分别进行单独检测。采用PLS-DA模型进行组间代谢物分类，利用O2PLS模型筛选与心肺功能相关的代谢物。通过与人类代谢物数据库（HMDB）比对鉴定具体的代谢产物名称，分析流程见图1B。
采用Mann-Whitney非参数检验评估组间各代谢物的显著性差异；利用R软件建立线性混合效应模型，探索室内空气污染物水平、参与者的心肺功能指标和尿液代谢物相对峰值强度之间的关系；通过偏相关分析，探讨暴露相关代谢物与心肺相关代谢物之间的相关性，并对协变量进行了校正；通过生物通路分析，合理化阐明暴露相关代谢物与心肺相关代谢物之间的生物学相关性。
实验结果
PLS-DA模型生成的评分图显示，实验组和对照组间参与者的代谢特征可被良好的分离开（图2A-B）。最终鉴定出了57种代谢物。
28种代谢物中有13种与空气中NAI呈负相关，其余均与NAI呈正相关关系。此外，利用O2PLS模型筛选出了48种与心肺功能相关的代谢物（图2C-F）。
2. 与室内PM和NAI暴露相关的代谢分子
线性混合效应模型分析结果发现14种与PM暴露相关的代谢物，其中有9种与PM暴露水平呈负相关，11种与PM暴露呈正相关。这14种代谢物分布在6个主要的代谢通路和12条具体的代谢途径上，如葡萄糖代谢中的丙酮酸和磷酸戊糖途径。共发现28种与NAI暴露相关的代谢物，其中有13种与NAI暴露呈负相关，15种与NAI暴露呈正相关。这28种代谢物分布于8个主要代谢通路，涉及21条具体的代谢途径，如氨基酸代谢中的天冬氨酸途径（表1）。
3. 与心肺功能相关的代谢分子
与呼吸功能相关的代谢分子有8种，其中4种代谢物与呼吸功能呈正相关，另外4种代谢物与呼吸功能呈负相关。这些相关的代谢物涉及6条主要代谢通路中的8条具体的代谢途径，如氨基酸代谢中的酪氨酸和精氨酸代谢途径。与心率变异性相关的代谢分子共有18种，其中11种与心率变异性呈正相关，另外7种与心率变异性呈负相关。这些代谢物涉及9条主要的代谢通路中的14条特异性的代谢途径，如氨基酸代谢中的组氨酸和谷氨酸代谢途径（表2）。
4. 代谢物间的相关性分析
在与PM暴露相关的代谢物中，有4对代谢物之间存在正相关关系；在与NAI暴露相关的代谢物中，有49对代谢物之间存在显著相关关系，其中有15对代谢物之间存在负相关关系（图3A-B）。
与呼吸功能相关的代谢物中，有4对代谢之间呈正相关；与心率变异性相关的92对代谢物中，有9对代谢物之间呈负相关（图3C-D）。
图3E展示了暴露相关代谢物与心肺功能相关代谢物之间的相关性。5种PM暴露相关的代谢物与4种肺功能相关的代谢物显著相关，其中有5对代谢物呈正相关，1对代谢物呈负相关。6种NAI暴露相关的代谢物与5种呼吸功能相关的代谢物呈显著相关，其中5对代谢物呈正相关，1对代谢物呈负相关。5种PM暴露相关的代谢物与8种心率变异性相关代谢物呈显著相关，其中8对代谢物呈正相关，2对代谢物呈负相关。16种与NAI暴露相关的代谢物与6种心率变异性相关代谢物显著相关，其中5对代谢物呈负相关，1对代谢物呈正相关。
5. 代谢物通路分析
对相关性的代谢物进行了生物学通路分析，共将52种代谢物整合到一个代谢网络中（图4）。11种PM暴露相关的代谢物和7种呼吸功能相关的代谢物富集在相同的通路中，涉及脂质、氨基酸、葡萄糖和嘧啶的代谢，表明能量生成和抗炎作用的提高。15种PM暴露相关的代谢物与16种心率变异相关的代谢物富集在相同的通路中，涉及氨基酸、脂质、葡萄糖和嘌呤代谢，在改善能量产生、抗炎作用方面发挥作用。21种NAI暴露相关的代谢物与11种呼吸功能相关的代谢物富集在相同通路中，涉及氨基酸、脂质、葡萄糖、嘧啶和嘌呤代谢，有利于能量的产生、抗氧化和抗炎过程。17种NAI暴露相关的代谢物与18种心率变异相关的代谢物共同富集在三磷酸尿苷（UTP）合成、三羧酸循环、氨基酸和脂质代谢通路上。
讨论
空气中PM的降低有利于改善呼吸功能，主要是通过8条代谢通路实现的。D-葡萄糖随着PM的降低而减少嘧啶的合成，因为它可转化为5-磷酸核糖基二磷酸，并上调胞嘧啶的合成。胞嘧啶的合成增加意味着PM的减少可改善肺功能和消退炎症。脂肪酸的β-氧化也随着PM的降低而提高。升高的2，4-十二烯酰肉碱与呼吸功能受损有关，表明存在潜在的脂肪酸β-氧化缺陷。雄烯二酮的升高和雌烯酮葡萄糖醛酸内酯的降低，提示雌激素合成减少，这与既往研究肺损伤患者周围肺组织雌激素浓度明显增高一致。因此，雌激素的下调可改善肺功能，减轻促炎作用。空气中PM暴露也会干扰酪氨酸和苯丙酮氨酸代谢。
2. 室内空气污染暴露与心率变异相关的代谢通路
降低的PM有利于改善心率变异，主要富集在6条主要的代谢通路上。PM的降低与上调的半乳糖代谢、维生素B代谢、黄体酮生物合成和赖氨酸降解、下调的嘌呤代谢以及脂肪酸的β氧化有关，主要是通过提高能量的产生和抗炎能力而起到改善心率变异的效果。。空气中NAI的升高与心率变异的加重有关，主要是通过下调UTP合成、TCA循环、酪氨酸和苯丙氨酸的代谢、脂肪酸β氧化以及增加组氨酸降解有关，最终干扰能量的生成和抗氧化能力。此外，PM和NAI可通过嘌呤代谢、酪氨酸和苯丙氨酸代谢、以及精氨酸和脯氨酸代谢共同改变心肺功能。但是，降低的PM和升高的NAI对这三个代谢途径产生的影响是相反的，最终导致对心率变异性的影响不一致。
评论
本研究的参与者均为儿童，作者主要关注室内空气污染和干预对这类易感人群的影响。室内空气中的NAI升高和PM的降低可能是通过不同的代谢途径来影响儿童的心肺功能。NAI的增加和PM的减少改善了呼吸功能，也增加了体内能量的产生且提高了抗炎和抗氧化的能力。而PM的减少对心脏自主功能的好处有可能被空气中升高的NAI所掩盖，同时伴随着能量产生和抗氧化能力的降低。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.envint.2020.105663