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有证据表明，臭氧与PM2.5的不良健康效应有关，但这一过程中化学组分发挥的作用仍不清楚。本研究利用暴露组学方法分析了一项定组研究中个人PM2.5暴露的1327种组分，发现O3增强了多种促炎因子与对应PM2.5组分之间的关联性，并识别出组分的共有特征——芳烃和不饱和双键。同时，利用模型模拟和预测组分在体内的ADME过程，筛选出相应的机制通路。本研究以“Ozone Enhances the Inflammation Effects of PM2.5 Components Based on an Exposomic Approach in a Panel Study”为题，发表于Environmental Science & Technology Letters，北京大学博士后（现任北京协和医学院助理教授）蒋幸为第一作者，邱兴华为通讯作者。
文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.estlett.4c00537
摘要图：
研究背景
PM2.5对人体健康构成了严重威胁，其中浓度、粒径及其化学组成是主要影响因素。例如，多环芳烃（PAHs）尽管仅占PM2.5质量的0.2%，但可能贡献了高达14%的致癌性风险。此外，O3与PM2.5存在复杂的交互作用，可能通过其高反应活性加剧PM2.5组分的促炎效应，进一步增加心血管疾病风险。然而，两者交互效应的潜在机制尚未在流行病学研究中得到明确证据支持。
研究方法
本研究基于一项定组研究，于2013年至2015年期间在北京市招募了108名50至65岁的志愿者并完成了7次随访。志愿者的PM2.5暴露通过便携式采样器采集并使用GC-ToF-MS和GC-MS/MS分析其化学组成，O3暴露基于臭氧分析仪测量数据，结合环境参数进行估算。采集禁食状态下的尿液、血液和呼出冷凝气（EBC）样本，通过流式细胞仪测定炎症标志物，氮氧化物分析仪测量呼出气一氧化氮(eNO)，HPLC测量尿丙二醛(MDA)。数据分析采用线性混合效应模型评估O3对PM2.5组分促炎效应的增强作用，并结合计算毒理学模型预测化学特征对生物效应的贡献以及相关的机制通路。
实验结果与讨论
研究评估了PM2.5的化学组分对各种促炎因子的影响以及在不同O3浓度暴露组之间的效应差异。PM2.5的55、200、128和52种组分与eNO、呼出气白介素eIL-6、血清白介素sIL-6和血清白介素sIL-1β有显著的正向关联。在不同O3浓度组之间，PM2.5组分与炎症标志物的关联在高O3组更为显著。分析识别出O3增强效应的关键组分，芳香类化合物在所有组分中占据主导地位。此外，对于白介素ILs和血清肿瘤坏死因子sTNF-α，霍烷和萜类化合物也表现出显著的增强效应。芳香化合物亚组中，单环和多环芳烃以及硝基芳烃占主导，这提示不饱和和环结构可能是O3增强PM2.5炎症效应的关键化学特征。
图1. 不同O3暴露组间炎症生物标志物具有关联性差异的PM2.5组分识别
进一步研究有O3增强效应的PM2.5组分的结构特征，发现芳烃特征与增强效应的关联最为显著，其次是不饱和双键和六元环。包含这些结构的组分相较于不含这些结构的组分表现出更高的O3增强效应，尤其是在eIL-6、sIL-6和sTNF-α等炎症因子中，效应倍数（FC）显著升高。潜在的机制可能是气道表面组织液相比于空气温度更高，O3与双键的氧化反应更容易进行。这些含关键结构的组分吸入人体后，可与O3或者活性氧反应从而破坏机体氧化还原平衡，进一步刺激ILs和TNF-α等炎症因子的释放，增强炎症效应。
图2.（A）O3增强效应相关的前10个结构特征和（B）典型结构特征表征的生物标志物相对增强值
研究还识别对O3增强效应有较强影响的代谢过程。随机森林具有最好的拟合效果，后续SHAP分析中，线粒体膜电位、天然产物相似性、致癌性和雌激素受体分别被确定为eIL-6、sIL-1β、sIL-6和sTNF-α的最强预测因子，细胞色素P450(CYP)1A2和雌激素受体（NRER）可以同时放大O3对所有生物标志物的增强作用。具体而言，CYP1A2是多种环结构物质的代谢酶，参与了毒性基团的生成。O3的高氧化性可以参与反应生成醌类；同时，O3氧化特定蛋白质会产生芳烃受体高亲和性物质，增强CYP和雌激素受体活性，从而导致炎性因子累积。
图3. 影响O3对生物标志物的交互效应值的前10个毒物动力学特征
综上，本研究基于对定组研究的暴露组学分析，发现O3对PM2.5组分的呼吸和系统性促炎效应具有增强作用（尤其是含不饱和双键环结构的组分），由NRER和CYP1A2相关的代谢途径调控。这些发现突出了在实现健康导向的空气污染控制时，空气污染混合物具有累加效应。
参考文献：
Xing Jiang, Yiqun Han, Xinghua Qiu*, Yanwen Wang, Jinming Liu, Zhen Cheng, Yan Tian, Yifan Xu, Xi Chen, Yunfei Fan, Wu Chen, Weiju Li, Tong Zhu. Ozone Enhances the Inflammation Effects of PM2.5 Components Based on an Exposomic Approach in a Panel Study. Environmental Science & Technology Letters, 2024, 11(8): 818-824. https://doi.org/10.1021/acs.estlett.4c00537
供稿：贾树愚 蒋幸
编辑：钟沛文
