科研 | 北京大学：在健康成年人中氨基酸代谢紊乱介导与空气污染相关的血管功能（国人佳作）

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编译：微科盟大陈子，编辑：微科盟Tracy、江舜尧。

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导读

空气污染相关的心血管不良影响的分子机制仍在很大程度上是未知的。在本研究中，我们在2014-2016年间对居住在中国北京的73名健康成年人进行了纵向随访，研究了环境空气污染对血管功能的影响以及氨基酸的潜在调节作用。我们利用线性混合效应模型预测了大气污染物与血清可溶性细胞间黏附分子1 ( sICAM-1 )和血浆氨基酸水平的相关性，并通过中介效应分析阐明了涉及的生物学途径。较高的空气污染物水平与sICAM-1水平升高显著相关。代谢组学分析表明，人体短期空气污染暴露后的改变代谢产物主要参与氨基酸代谢。人体血浆丙氨酸、苏氨酸和谷氨酸水平显著下降( 2.1μM [ 95 %可信区间( CI )：-3.8、-0.3 ]至62.0μM ( 95 % CI：-76.1、-47.9 )，与PM_2.5、BC、CO和SO₂在临床就诊前1 ~ 7天移动平均值的四分位数范围增加有关。中介效应分析还显示，氨基酸可介导与空气污染暴露增加有关的sICAM-1变化的48 %。我们的研究结果表明，空气污染可能通过干扰氨基酸代谢而引起血管功能障碍。

论文ID

原名：Perturbation of amino acid metabolism mediates air pollution associated vascular dysfunction in healthy adults译名：在健康成年人中氨基酸代谢紊乱介导与空气污染相关的血管功能
期刊：Environmental Research 
IF：6.498发表时间：2021.06通讯作者：黄薇和郑乐民
通讯作者单位：北京大学

实验设计

实验结果

表1总结了研究参与者的人口统计学特征和临床结果。我们的参与者平均年龄23.3岁[标准差(SD) 5.4]，女性占66%，平均BMI 22.5 kg/m2(SD, 3.5 kg/m2)。sICAM -1平均水平为131.1 ng/mL。在排除检测限及低信噪比的氨基酸后，我们采用高效液相色谱法鉴定出8种氨基酸，比如丙氨酸、半胱氨酸、甘氨酸、苏氨酸、谷氨酸、脯氨酸、赖氨酸和酪氨酸。如表2所示，除NO₂外的其他空气污染物浓度在随访期间变化显著。在整个研究期间，PM_2.5、BC、CO和SO₂的平均浓度分别为64.2 μg/m³、4.2 μg/m³、0.9 ppm和24.2 μg/m³，范围分别为7.5 ~ 331.0 μg/m³、0.6 ~ 20.6 μg/m³、0.2 ~ 3.2 ppm和6.2 ~ 97.9 μg/m³。

表1 研究参与者的描述性统计(N=73，包括48名女性)

表2 研究期间污染物浓度的汇总统计

sICAM-1显著增加与环境的PM_2.5和SO₂有关，增加范围分别为7.9 ng/mL (95%CI:2.0, 13.8)至10.5 ng/mL (95%CI:3.2, 17.7)和8.6 ng/mL (95%CI:2.2, 15.1)至13.4 ng/mL (95%CI:6.2, 20.7)（图1）。sICAM-1的增加也与前1、4至7 MA天的BC暴露和前1 MA天的CO暴露有关。

OPLS-DA数据分析显示两次随访之间的代谢谱分离（图2A）。总共有115种代谢物在随访1和随访2之间显示出差异（VIP评分>1，FDR<0.05），其中92种代谢物呈上升趋势，23种代谢物呈下降趋势（随访1/随访2）（表S3）。此外，对这115种代谢物的代谢途径分析表明，这些改变的代谢物主要参与抗坏血酸和醛酸的代谢；苯丙氨酸代谢；丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢；戊糖和葡萄糖醛酸相互转化；半胱氨酸和蛋氨酸代谢（图2B）。

图1 sICAM-1的估计变化与污染物浓度的四分位数范围增加有关

图2 (A) OPLS-DA模型的评分图，(B)已鉴定代谢物的路径分析

对于氨基酸而言，丙氨酸和苏氨酸与空气污染暴露相关显著下降(图3 )。Ala在7.5 μM (95% CI:-13.3， -1.7)到22.5 μM (95% CI:-29.7， -15.3)之间的最大下降与1至7 MA之前PM_2.5、BC、CO和SO₂的IQR增加有关。苏氨酸水平的降低也与各种污染物暴露的IQR增加显著相关，最大的降低幅度为18.5%μM（95%置信区间：-36.5，-0.5）至62.0μM（95%置信区间：-76.1，-47.9），在7 MA之前。此外，谷氨酸含量显著降低17.1%μM（95%置信区间：-33.4，-0.7）至39.4μM（95%CI:-63.1，-15.6）与PM_2.5、BC、CO和SO₂在7 MA之前的IQR增加有关（图4）。我们还观察到赖氨酸和酪氨酸的显著减少与SO₂暴露的IQR增加有关。

图3  与污染物浓度四分位数范围增加有关的氨基酸的估计变化

Ala：丙氨酸;Cys：半胱氨酸;Gly：甘氨酸;Thr：苏氨酸。

图4 与污染物浓度四分位数范围增加有关的氨基酸的估计变化

Glu：谷氨酸;Pro：脯氨酸;Lys：赖氨酸;Tyr：酪氨酸

在中介效应分析中，单介质模型显示，PM2.5相关的sICAM-1变化可通过丙氨酸（比例高达34%）和苏氨酸（比例高达48%）进行调解（表3）。我们在BC-、CO-和SO₂相关的sICAM-1变化也观察到类似的结果。多介质模型的结果表明，Ala和Thr共同介导了46%～83%的sICAM-1变化，这些变化与空气污染暴露的增加有关（表4）。

表3 使用单介质模型进行中介效应分析的结果

表4 多介质模型的中介效应分析结果

讨论

在目前的分析中，我们观察到更高水平的环境空气污染物暴露，包括PM_2.5、BC和SO₂与sICAM-1的增加有关；空气污染严重也与血浆中丙氨酸、苏氨酸和谷氨酸水平的降低有关；研究人员已经证明了空气污染相关的sICAM-1变化是由丙氨酸和苏氨酸介导的。我们的研究强调了人体短期暴露于空气污染导致血管功能恶化，其潜在的机制是由于氨基酸代谢紊乱。

血管功能是心血管疾病的中枢介质，在一系列的小组研究中，血管功能与空气污染有关的证据已经被广泛证实。在受控暴露研究中，人体短期暴露于柴油废气可延迟降低乙酰胆碱诱导的血管舒张。大规模队列研究也表明，人体长期暴露于空气污染与慢性血流介导扩张（FMD）减少有关。在本研究中，我们检测了代表血管功能的sICAM-1，并观察到环境空气污染物暴露水平越高，sICAM-1水平就越高。循环中sICAM-1主要是由内皮细胞中与细胞膜结合的ICAM-1蛋白水解产生的，升高的sICAM-1水平可能反映了血管内皮的炎症状态。在一项健康成年人的前瞻性研究中，sICAM-1每增加一个SD (44 ng/mL)就与颈动脉狭窄的风险增加相关，比值比为1.01 ~ 1.25倍。

为了进一步提供空气污染相关血管功能障碍的机制线索，我们在本研究中进行了代谢组学研究，并确定了几种可能受空气污染物暴露影响的潜在代谢途径，比如抗坏血酸和醛酸代谢；苯丙氨酸代谢；丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢；戊糖和葡萄糖醛酸相互转化；半胱氨酸和蛋氨酸代谢，这些受影响的途径大多与氨基酸代谢有关。这些发现与2008年北京奥运会期间对26名年轻健康参与者进行的反复随访中观察到的结果一致，在奥运会期间，当空气污染水平较低时，研究者发现血清中N-乙酰谷氨酸（一种谷氨酸代谢物）和对甲苯酸（一种苯丙氨酸代谢物）的水平较高。Brower等研究了300 μg / m³汽柴油混合排放6 h后C57BL / 6小鼠血清代谢谱的变化，发现血清中牛磺酸(一种半胱氨酸代谢物)水平升高。与以往的研究结果一致，我们的结果可能支持了空气污染暴露可能导致氨基酸代谢成为重要靶点之一的推测。

氨基酸作为肽合成和提供能量底物的基本组成部分之一，其稳态可能在某些病理条件下被破坏。氨基酸的衍生物，如肉碱、酮戊二酸、柠檬酸等，也对维持正常的细胞功能至关重要。在一项病例队列研究中，氨基酸代谢紊乱的评分每增加一个标准差，就与冠心病风险增加相关，风险比为1.50至2.44倍。在中介效应分析中，我们发现PM_2.5相关的sICAM-1升高可以部分通过丙氨酸和苏氨酸介导，进一步表明这些氨基酸参与了血管功能的改变。

丙氨酸是一种生糖氨基酸，当能量需求激增时，丙氨酸通过转氨作用转化为丙酮酸，产生三磷酸腺苷(ATP)。一项体内研究表明，PM_2.5暴露加速了三羧酸(TCA)循环，以抵消能量需求，表现为乳酸和丙酮酸的减少以及柠檬酸和琥珀酸含量的增加。在非靶向代谢组学谱中，我们也鉴定了丙酮酸，并发现其在高污染时期有所下降。因此，我们观察到的丙氨酸与空气污染物之间的负相关关系可能反映了可用ATP池的一种代偿机制，表明暴露于空气污染后，能量需求增加。此外，丙氨酸可以通过降低巨噬细胞对极低密度脂蛋白的摄取和甘油三酯的生物合成，直接影响甘油三酯的代谢和随后在血管系统中的脂质积累。我们发现的另一种对血管功能有中介效应影响的氨基酸是苏氨酸，一种必需氨基酸。苏氨酸是血浆免疫球蛋白的重要组成部分，对维持血浆抗体浓度和免疫功能具有重要意义。据报道，在细胞培养基中添加苏氨酸可作为谷胱甘肽前体或转化为TCA循环中间产物，从而防止锌（PM2.5的一种成分）不同方面的毒性；然而，尚需进一步研究确定丙氨酸和苏氨酸降低与空气污染相关血管功能障碍之间的潜在机制。

我们的研究有几个优势。首先，大多数之前的流行病学研究探索了与空气污染有关的代谢改变，都集中在非靶向代谢组学上。在本研究中，我们使用靶向高效液相色谱法进一步验证了改变的代谢物，使结果更有说服力。其次，我们同时评估了空气污染暴露与sICAM-1、循环氨基酸以及氨基酸对sICAM-1中介效应作用的相关性，为探索空气污染物心血管效应背后的分子机制提供了一个独特的机会。第三，登记的参与者没有疾病、药物使用或饮酒，因此在估计健康影响时混淆效应有限。但我们还应考虑到若干限制：1、暴露于空气污染依赖于固定地点的测量，而不是个人水平的测量。虽然我们之前的一项研究证实了环境空气污染暴露和个人空气污染暴露在本研究人群中倾向于高度相关，但空气污染暴露的错位可能仍然存在。2、血液样本是在血管功能评估的同时获得的，这可能因此降低了发现时间依赖的中介效应过程的可能性。3、我们调整了中介效应模型中与LME模型相同的混杂因素。在LME模型的逆向选择过程中未被选择的协变量可能仍然是中介效应的混杂因子。4、基于研究设计，我们无法区分随访1和随访2的不同代谢谱是由哪些污染物或污染物混合物引起的。虽然在第1次和第2次随访期间PM_2.5的平均水平有对比，但其他污染物如BC、CO和SO₂的平均水平也发生了很大变化。另外，我们分别在冬季和春季进行了第1次和第2次随访，这意味着其他变量也可能有季节性变化。

结论

总之，我们的研究结果表明，短期暴露于环境空气污染可改变代谢轮廓，降低血浆氨基酸水平，这可能是空气污染对血管功能影响的部分原因。这些发现拓展了我们对空气污染对心血管影响的认识，并为我们进一步了解空气污染的毒理学机制提供了思路。

原文链接：  

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34166659/

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