PM2.5（Fine Particulate Matter 2.5），全稱為細(xì)顆粒物，是指環(huán)境空氣中空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑小于或等于2.5微米的顆粒物。長期暴露于高濃度的PM2.5環(huán)境中，可能引發(fā)或加劇多種呼吸系統(tǒng)疾病和心血管疾病，對神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)等產(chǎn)生不良影響。
糖尿病是一種以慢性高血糖為特征的代謝性疾病，2022年在柳葉刀子刊Lancet Planetary Health（IF=28.75）中發(fā)表的一項(xiàng)研究，使用全球疾病負(fù)擔(dān)研究（GBD 2019）的數(shù)據(jù)，預(yù)估1990-2019年期間環(huán)境PM2.5污染所致的2型糖尿病，結(jié)果顯示約五分之一的2型糖尿病負(fù)擔(dān)可歸因于PM2.5污染。
圖1. 1990-2019年歸因于空氣污染的糖尿病負(fù)擔(dān)的時(shí)間趨勢
本次給大家分享的是Journal of Hazardous Materials期刊中的兩篇精彩案例，也是圍繞PM2.5和糖尿病展開研究的。第一篇是西湖大學(xué)鄭鉅圣教授等研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表的文章，題目為“Mapping multi-omics characteristics related to short-term PM2.5 trajectory and their impact on type 2 diabetes in middle-aged and elderly adults in Southern China”（麥特繪譜提供Q300全定量檢測服務(wù)）；第二篇是來自復(fù)旦大學(xué)徐燕意副教授等研究團(tuán)隊(duì)，題目是“Gut microbiota mediates ambient PM2.5 exposure-induced abnormal glucose metabolism via short-chain fatty acids ”（麥特繪譜提供短鏈脂肪酸定量檢測服務(wù)）；這兩篇文章從多個(gè)組學(xué)技術(shù)角度，深入挖掘PM2.5誘導(dǎo)糖尿病發(fā)的生物標(biāo)志物，闡述發(fā)病的潛在機(jī)制。
【案例一】
文章標(biāo)題：Mapping multi-omics characteristics related to short-term PM2.5 trajectory and their impact on type 2 diabetes in middle-aged and elderly adults in Southern China
發(fā)表期刊：Journal of Hazardous Materials
影響因子：12.2
合作團(tuán)隊(duì)：西湖大學(xué)鄭鉅圣教授等研究團(tuán)隊(duì)
發(fā)表時(shí)間：2024.02
研究背景
大隊(duì)列樣本在生物標(biāo)志物挖掘、疾病預(yù)測和流行病學(xué)研究中具有不可替代的作用，能夠提供豐富的數(shù)據(jù)和信息，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的研究和發(fā)展。本研究結(jié)合宏基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)等方法，建立PM2.5短期暴露軌跡與多組學(xué)特征之間的聯(lián)系，闡述PM2.5相關(guān)生物標(biāo)志物與中國南方成年人中T2D的存在和發(fā)病率之間的關(guān)系。
研究思路
圖1. 技術(shù)路線
研究結(jié)論
1. 隊(duì)列研究
選取平均年齡在64.4±5.8歲的3267名參與者，平均隨訪時(shí)間5.15年。研究廣州地區(qū)2014-2020年P(guān)M2.5的暴露軌跡特征，發(fā)現(xiàn)兩種不同的PM2.5暴露軌跡組（L-PM2.5 VS H-PM2.5），H-PM2.5組的糞便和血清樣本中PM2.5濃度均顯著高于L-PM2.5組。
圖2. 糞便/血清樣本軌跡分組
2. 宏基因組測序
與L-PM2.5組相比，H-PM2.5組與腸道微生態(tài)β-多樣性的顯著差異相關(guān)。擬桿菌門豐度下降和放線菌門下一個(gè)分支豐度增加，此外，多形擬桿菌(Bacteroides thetaiotaomicron)與PM2.5呈反比關(guān)系，而長雙歧桿菌(Bifidobacterium long)和Bacteroides dorei在H-PM2.5組中更為豐富。
與7天或1年的累積暴露和一般人口統(tǒng)計(jì)學(xué)特征相比，7天PM2.5暴露軌跡對細(xì)菌β多樣性的影響更大，表明當(dāng)使用軌跡分組而不是累積暴露計(jì)算時(shí)，短期暴露研究可以更深入地了解微生物群組成的變化。
圖3. 低濃度和高濃度PM2.5暴露組種微生物組成差異
3. 蛋白質(zhì)組學(xué)
在兩組血清樣本中共鑒定出386種蛋白，其中有17種蛋白存在顯著差異，通過調(diào)整協(xié)變量，12種蛋白成為PM2.5相關(guān)的生物標(biāo)志物，在H-PM2.5中富集的血清蛋白包括碳酸酐酶1 (CAH1)、肝細(xì)胞核因子4- α (HNF4A)、線粒體核糖體蛋白L19 (RM19)、磷酸鹽調(diào)節(jié)中性內(nèi)肽酶(PHEX)、補(bǔ)體C1r亞組分樣蛋白(C1RL)、182 kDa端錨聚合酶-1結(jié)合蛋白(TB182)和腎上腺皮質(zhì)發(fā)育不良蛋白同源物(ACD)。上述蛋白水平升高與心肌梗死、心肌肥大、T2D、食管鱗狀細(xì)胞癌和慢性淋巴細(xì)胞白血病的風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)。
圖4. 血清樣本中的差異蛋白
4. 代謝組學(xué)（糞便、血清）
糞便樣本中有36種代謝物在兩組中存在顯著差異，其中鳥氨酸、脯氨酸、鼠李糖等8個(gè)代謝物被確定為PM2.5相關(guān)的生物標(biāo)志物；血清樣本中有30種代謝物在兩組之間存在顯著差異，其中13種代謝物被確定為與PM2.5相關(guān)的生物標(biāo)志物，分析PM2.5暴露與上述代謝產(chǎn)物的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)短期暴露在PM2.5環(huán)境中可能引起全身生理變化，并對健康產(chǎn)生影響。
進(jìn)一步對主要代謝物進(jìn)行富集分析，分別鑒定到3條和8條來自微生物群代謝和微生物群與宿主共同代謝的重要代謝途徑，涉及氨基酸和能量代謝，為PM2.5引起的腸道微生物群紊亂闡明了潛在的代謝機(jī)制。
圖5. 糞便和血清樣本中代謝產(chǎn)物差異
5. PM2.5相關(guān)多組學(xué)生物標(biāo)志物與T2D的關(guān)系
使用受試者工作特征曲線下面積評估PM2.5相關(guān)的糞便微生物群和代謝物、血清蛋白和代謝物對T2D的預(yù)測能力，綜合預(yù)測精度為0.761（0.718−0.803）；Cox比例風(fēng)險(xiǎn)模型對應(yīng)的C值指數(shù)也達(dá)到了0.763（0.698−0.827）。
在網(wǎng)絡(luò)分析中發(fā)現(xiàn)糞便代謝產(chǎn)物鼠李糖和甘氨酸、血清代謝產(chǎn)物馬尿酸和蛋白TB182是關(guān)鍵的樞紐節(jié)點(diǎn)，且以這些關(guān)鍵樞紐節(jié)點(diǎn)為中心的子網(wǎng)成員也在預(yù)測T2D方面表現(xiàn)出有效的性能。
圖6. 糞便代謝產(chǎn)物鼠李糖和甘氨酸、血清代謝產(chǎn)物馬尿酸和蛋白TB182是關(guān)鍵的樞紐節(jié)點(diǎn)
研究小結(jié)
本研究通過宏基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和Q300全定量代謝組學(xué)技術(shù)繪制了腸道微生物群、糞便代謝物和宿主血清中的多組學(xué)生物標(biāo)志物，突出了它們與環(huán)境PM2.5暴露軌跡的關(guān)系，揭示了受PM2.5短期暴露影響的分子機(jī)制，為制定公共衛(wèi)生干預(yù)措施提供重要的參考依據(jù)。
【案例二】
文章標(biāo)題：Gut microbiota mediates ambient PM2.5 exposure-induced abnormal glucose metabolism via short-chain fatty acids
發(fā)表期刊：Journal of Hazardous Materials
影響因子：12.2
合作團(tuán)隊(duì)：復(fù)旦大學(xué)徐燕意副教授研究團(tuán)隊(duì)
發(fā)表時(shí)間：2024.07
研究背景
腸道微生物群的生態(tài)失調(diào)促進(jìn)代謝紊亂的易感性，如葡萄糖耐受不良和胰島素抵抗，此外，腸道菌群所產(chǎn)生的代謝物對宿主生理也起到關(guān)鍵的作用。本研究通過宏基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、短鏈脂肪酸靶向測定等技術(shù)，闡述了腸道微生物群在PM2.5暴露誘導(dǎo)的糖代謝異常中起到介導(dǎo)作用，控制腸道微生物群或其代謝物是預(yù)防環(huán)境PM2.5對健康不利影響的潛在策略。
研究思路
圖1. 技術(shù)路線
研究結(jié)論
1. 抗生素治療減輕PM2.5引起的葡萄糖耐受不良和胰島素抵抗
將小鼠暴露于CAP（Concentrated Ambient PM2.5，PM2.5濃縮樣本）和FA（Filtered Air，過濾空氣）中，對其使用抗生素，發(fā)現(xiàn)小鼠的體重和攝食量急劇下降，并在正常飲食后恢復(fù)。暴露在CAP中的小鼠糖耐量明顯受損，并誘導(dǎo)胰島素抵抗，抗生素消耗腸道菌群后，糖代謝異常得到緩解。
圖2. 抗生素治療可緩解PM2.5暴露引起的糖代謝異常
2. 抗生素治療改善PM2.5誘導(dǎo)的胰島素抵抗
進(jìn)一步探索抗生素治療緩解PM2.5誘導(dǎo)的胰島素抵抗從而導(dǎo)致葡萄糖穩(wěn)態(tài)異常的生物學(xué)機(jī)制，采用Western Blot方法評估了胰島素敏感組織(包括肝臟、白色脂肪組織(附睪白色脂肪組織和骨骼肌)中Akt和GSK-3β磷酸化水平。Akt和GSK-3β作為廣泛使用的局部胰島素信號傳導(dǎo)指標(biāo)，PM2.5暴露降低了胰島素誘導(dǎo)的Akt和GSK-3β在肝臟及白色脂肪組織中的磷酸化水平，抗生素治療后明顯改善了PM2.5暴露誘導(dǎo)的Akt磷酸化水平的下調(diào)。
圖3. 抗生素治療可改善PM2.5暴露引起的脂肪胰島素抵抗
3. 糞菌移植（FMT）重塑受體小鼠糖代謝異常
采用糞菌移植實(shí)驗(yàn)將暴露于FA/CAP的小鼠糞便菌群移植到年齡匹配的抗生素治療受體小鼠，發(fā)現(xiàn)受體小鼠的體重和攝入量沒有變化，R-CAP組小鼠誘導(dǎo)了葡萄糖耐受不良和胰島素抵抗，重塑了脂肪Akt和GSK-3β的磷酸化水平。
圖4. CAP暴露小鼠的糞便微生物群移植重塑了受體小鼠的糖代謝異常
4. 腸道微生物群組成變化
利用宏基因組進(jìn)一步分析受體小鼠腸道細(xì)菌群落的相對豐度，分別鑒定出R-FA和R-CAP小鼠在FMT后1周和5周時(shí)有3個(gè)和57個(gè)差異細(xì)菌分類群，而在FMT后1周和5周的絕對豐度分析中，分別鑒定出6個(gè)和84個(gè)差異細(xì)菌分類群。其中，R-CAP組在FMT后1周Roseburia屬的相對豐度和絕對豐度都有所下降。
圖5. 糞菌移植小鼠腸道微生物群組成變化
5. 菌群代謝產(chǎn)物變化
短鏈脂肪酸靶向測定結(jié)果顯示CAP小鼠體內(nèi)乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽等多種SCFAs（短鏈脂肪酸）的水平降低，而抗生素治療導(dǎo)致的腸道微生物群消耗減輕了這些SCFAs的下降。FMT后5周的受體小鼠SCFAs水平?jīng)]有受到影響，與R-FA小鼠相比，R-CAP小鼠中乙酸顯著減少，戊二酸顯著增加。
圖6. 糞便微生物群移植改變了受體小鼠血清SCFAs水平
6. 補(bǔ)充乙酸鈉可改善PM2.5暴露引起的糖代謝異常
乙酸鈉處理可顯著改善PM2.5暴露誘導(dǎo)的葡萄糖耐受不良和胰島素抵抗，減輕了胰島素誘導(dǎo)的脂肪組織中Akt和GSK-3β磷酸化水平的下降。
圖7. 補(bǔ)充乙酸鈉可改善PM2.5暴露小鼠的糖代謝異常
研究小結(jié)
腸道菌群可能通過減少短鏈脂肪酸(尤其是乙酸)介導(dǎo)環(huán)境PM2.5暴露引起的葡萄糖穩(wěn)態(tài)異常，為通過靶向腸道菌群和其代謝物來預(yù)防環(huán)境PM2.5對健康的不良影響開辟了新的研究途徑。
參考文獻(xiàn)
1. Estimates, trends, and drivers of the global burden of type 2 diabetes attributable to PM2·5 air pollution, 1990-2019: an analysis of data from the Global Burden of Disease Study 2019. Lancet Planet Health. 2022 Jul;6(7):e586-e600.
2. Wang JT, Hu W, Xue Z, et al. Mapping multi-omics characteristics related to short-term PM2.5 trajectory and their impact on type 2 diabetes in middle-aged and elderly adults in Southern China. J Hazard Mater. 2024;468:133784.
3. Shao W, Pan B, Li Z, et al. Gut microbiota mediates ambient PM2.5 exposure-induced abnormal glucose metabolism via short-chain fatty acids. J Hazard Mater. 2024;476:135096.
繪譜幫你測
上述研究中使用宏基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、靶向代謝組學(xué)等技術(shù)，揭示了PM2.5誘導(dǎo)糖尿病發(fā)的潛在機(jī)制，結(jié)合大隊(duì)列樣本數(shù)據(jù)，挖掘生物標(biāo)志物。麥特繪譜開創(chuàng)性地搭建了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域高端代謝組學(xué)技術(shù)平臺，覆蓋了非靶向-全定量-代謝流等全方位的高端醫(yī)學(xué)代謝組解決方案，同時(shí)全面布局微生物組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等多組學(xué)技術(shù)服務(wù)，已成為全球多組學(xué)研究者的優(yōu)選合作伙伴。麥特繪譜擁有Q1000，Q500、Q300、Q200和膽汁酸、短鏈脂肪酸、色氨酸及吲哚衍生物、多胺和TMAO類等各類小分子代謝物、非靶向代謝組學(xué)和同位素示蹤代謝流技術(shù)等共40+系列檢測方法；已為數(shù)百家三甲醫(yī)院、科研院所和企業(yè)提供多組學(xué)解決方案，協(xié)助客戶與合作伙伴發(fā)表SCI文章400+篇，累計(jì)影響因子4000+，平均IF＞10，包括Cell, Nature, Science, Cell Metabolism, Immunity, Gut, Hepatology, Microbiome等頂級期刊。
END