空气污染引发了严重的健康问题。根据2019年全球疾病负担研究的报告，大气颗粒物导致了约1.18亿残疾调整生命年（DALYs）和414万死亡。在中国，2019年间PM2.5导致了140万人过早死亡，每10万人中有100人过早死亡。2021年WHO组织使用等质量的PM标准来评估所有城市的空气质量（例如，PM2.5的5 μg/m3）。然而，不同PMs毒性的主要原因来自不同来源的不同成分。课题组先前的研究发现不同国家和地区PM的氧化潜力（OPs）存在显著差异。同时，不同地区的PMs污染对健康的影响存在差异。我们先前的研究发现不同国家的PMs暴露后大鼠血液中microRNA和白细胞介素6（IL-6）的表达存在差异。一些离线的蛋白质生物标志物，例如IL-6等，被广泛用于评价与PM暴露相关的健康效应。然而，在PM暴露引发疾病相关蛋白生物标志物表达之前和之后，有很多过程仍然不为人知。不同城市来源颗粒物的致病机制的不同也是未知数。
针对以上问题，北京大学环境科学与工程学院要茂盛教授团队在过去的几年里一直致力于新一代毒理学检测工具方法的创新，专注于实时、无创的技术手段间接表征空气污染对健康的影响以及健康效应早期标志物的检测。基于前期酵母、大鼠和人群呼出气生物标志物的研究基础，北京大学团队探究了中国31个主要城市PMs注射大鼠后，其呼出气VOCs生物标志物的改变以及相关健康效应机制。
图1 大鼠呼出气VOCs的检测示意图
图2 不同城市颗粒物暴露导致不同的呼出气VOC标志物
课题组将中国主要的31个城市PMs经过0.45微米的滤膜过滤后，通过颈静脉注射的方式暴露了228只Wistar大鼠（每个城市组动物为6只）；在暴露后1h，以及长达6天的时间中，使用气相色谱和离子迁移谱仪（GC-IMS）在定制的石英容器中实时监测了大鼠呼出气VOCs的改变（图1，图2）。研究发现暴露1h后，大鼠呼出VOCs发生了显著变化，其中乙醇替代了丙酮成为了呼出气VOCs中显著性改变的主导物质。呼出气中的乙醇可能是区分不同PMs所导致的不同健康效应的新型生物标志物。同时研究发现大鼠暴露后1-4天中，大鼠呼出气VOCs出现显著变化，主要表现为丙酮、丁酮、庚酮-M和乙酸-M的浓度动态的发生了改变。多项研究表明，呼出气VOCs中醛类物质的产生可能与各种疾病相关。暴露后的5至6天间，醛类物质（己醛-D、己醛-M、戊醛、庚醛-M和(E)-2-己烯醛）发生了改变，其累加的含量显著增加，这一现象表明大鼠可能发生了病理性的变化。相较于离线的血液代谢组学相比，实时监测大鼠呼出气VOCs显示出更高时空分辨的差异信息。而这一过程的变化可能牵涉多种代谢途径，活性氧（ROS）的增加以及体内多种不饱和脂肪酸合成受阻可能是呼出气VOCs中饱和/不饱和醛类比例升高的主要原因。呼出气VOCs中醛类物质的存在也可以间接反映不饱和脂肪酸的氧化而引起的脂质过氧化。在这项研究中，课题组提出了一组10种随时间动态变化的VOCs指纹组合（上文中提到的10种），该组合旨在间接表征31个城市PMs暴露后的毒性差异；该呼出气VOCs指纹图谱间接将31个城市划分为4种不同的毒性类型（图3）。同时这一组动态改变的VOCs指纹图谱可以作为区分不同PMs毒性暴露后的实时生物标志物。这项研究为呼出气VOCs的机制提供了有价值的见解，并强调了它们作为区分不同PMs毒性、检测潜在疾病早期迹象的生物标志物的关键作用。同时，这项工作的结果还为特定城市的空气污染控制政策制定提供了科学依据。
图3 10种呼出气指纹VOCs间接区分31个主要城市PMs暴露后的毒性
这项研究阐明了大鼠在31个相同质量浓度的主要城市PMs暴露下呼出气VOCs生物标志物的变化，同时为其引发的健康效应的分子机制提供了见解，并且强调了它们作为区分不同PMs毒性生物标志物的关键作用。通过分析大鼠呼出气中10种特定指纹的VOCs，可以实现对PM毒性的实时检测。与传统生物标志物（如ROS、IL-6、IL-10等）相比，这项研究及其方法通过呼出气VOCs生物标志物展示了不同城市PMs暴露后的差异，彰显了其快速、敏感和早期健康影响监测等特点。这些实时VOCs生物标志物的研究和探索为新一代毒理学的检测手段提供崭新的思路和新的研究范式。同时研究成果也揭示不同城市颗粒物在致病机制和健康效应上存在明显的差别。
研究成果以“Exhaled VOC Biomarkers from Rats Injected with PMs from Thirty-One Major Cities in China”为题发表在Environ. Sci. Technol.刊物上（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.3c06074）。论文的第一作者为北大环境学院博士生邢颀颂，北大要茂盛教授为通讯作者。该项目主要得到了中国国家自然科学基金（NSFC）资助（基金号92043302）、NSFC创新研究群体资金（基金号22221004）和国家重点研发计划（基金号SQ2022YFC3700094）的资助。
邢颀颂个人简介：北京大学环境科学于工程学院在读三年级博士研究生邢颀颂，主要研究方向为大气颗粒物的组分与健康效应。在本研究中，揭示了中国31个主要城市PM的暴露大鼠后呼出气VOCs的改变，并且提出一种动态变化的VOCs指纹组合用以间接表征不同PMs的毒性。通过呼出气VOCs生物标志物有助于对区分不同PMs毒性、检测潜在疾病的早期迹象提供进一步的理解。
邢颀颂 （北京大学环境学院三年级博士研究生）
