The Innovation | PM2.5暴露与肠脑轴的关联：多组学机制研究

导 读

已知研究发现空气中PM_2.5暴露会激活下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴，但作用机制不明。最新流行病学研究显示，PM_2.5暴露会改变肠道菌群。因此本研究基于定群研究设计，利用多组学数据在人群层面上发现PM_2.5短期暴露会通过改变肠道菌群激活HPA轴，即肠脑轴（GBA）激活，对老年人的心血管和神经系统产生不良影响。

图1 图文摘要

全球疾病负担（GBD）研究结果显示，2019年，PM_2.5相关的全球超额死亡人数近414万人；在中国，PM_2.5导致超过142万人过早死亡，占全球疾病总负担的34.3%。近年来研究逐步发现PM_2.5暴露可激活HPA轴，为PM_2.5暴露对人群心血管和神经系统的影响提供了新的生物学机制，但PM_2.5与HPA轴之间的作用机制尚不清晰。近期研究发现，PM_2.5暴露会改变肠道菌群。基于上述研究证据，我们提出了本项研究的假设：PM_2.5短期暴露会激活GBA（即PM_2.5可通过改变肠道菌群来激活HPA轴，而HPA轴是GBA中的重要组成部分）。

近年来，组学技术，特别是多组学联用技术的方法，为探索人群各类疾病的生物学机制提供了有力的支撑。本研究基于定群研究设计，以健康老年人为研究对象（China BAPE研究），于2018年9月至2019年1月在山东省济南市对76名调查对象开展了5次重复测量研究，在基线和每次随访过程中对调查对象进行PM_2.5个体暴露测量，开展体检并收集各类生物样本（图2）。通过整合肠道微生物组和代谢组的多组学分析技术，评估了个体PM_2.5暴露与GBA相关的肠道微生物、代谢物、血清生物标志物以及功能性指标的关联，从而为PM_2.5短期暴露激活GBA的相关机制提供了人群层面的证据支撑。

图2 China BAPE定群研究介绍（Tang et al., 2021）

PM_2.5短期暴露与GBA的关联

本研究发现，PM_2.5暴露可改变老年人群20种肠道微生物菌群的相对丰度，同时还可改变HPA轴的重要激素水平，包括促肾上腺皮质激素（ACTH）和糖皮质激素（cortisol）。进一步通过代谢组学分析，证实了PM_2.5暴露与GBA的特征性通路—色氨酸代谢途径上的4种代谢物（3-indoxyl sulfate、anthranilate、N-acetyltryptophan、tryptophan）相关。此外，研究发现PM_2.5暴露与促炎和抗炎因子也具有一定的关联。

PM_2.5短期暴露与心血管和神经系统的关联

进一步研究了PM_2.5短期暴露激活GBA后的心血管和神经系统相关指标的变化情况。

PM_2.5暴露与老年人的心血管相关生物标志物和功能性指标相关联：当PM_2.5暴露增加，C反应蛋白（CRP）、胎球蛋白-A（fetuin-A）、α-酸性糖蛋白（AGP）、血清淀粉样蛋白（SAP）、结合珠蛋白（haptoglobin）、空腹血糖（FBG）、总胆固醇（TCHOL）和甘油三酯（TG）也随之升高。

PM_2.5暴露与老年人的神经相关生物标志物和功能性指标也相关联：PM_2.5暴露增加，导致载脂蛋白E (ApoE4) 和朊蛋白（PRNP）的增加，铁蛋白（Ferritin）和神经颗粒素（Neurogranin）的降低。此外，PM_2.5暴露也会增加焦虑和睡眠障碍的风险。

图3 PM_2.5暴露影响GBA的机制总结

总结和展望  

本研究基于定群研究设计，结合多组学技术，探索PM_2.5致病的新机制。研究发现PM_2.5短期暴露可改变肠道微生物菌群、色氨酸代谢物、炎症因子及与HPA轴相关的重要激素，对老年人的心血管和神经系统产生不良影响。因此，PM_2.5短期暴露与GBA具有关联（图3）。本研究结果为PM_2.5相关心血管等疾病的防治提供依据，也更有利于科学防范PM_2.5的健康风险。后续可进一步开展PM_2.5组分的机制研究，确定PM_2.5的关键致病组分，提出更有针对性的精准防控措施。

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00009-1

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第二期以Report发表的“PM_2.5 Exposure associated with Microbiota Gut-Brain Axis: Multi-omics Mechanistic Implications from the BAPE study” (投稿: 2021-08-07；接收: 2022-01-26；在线刊出: 2022-02-02)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100213

引用格式：Li T., Fang J., Tang S., et al. (2022). PM_2.5 Exposure associated with Microbiota Gut-Brain Axis: Multi-omics Mechanistic Implications from the BAPE study. The Innovation. 3(2),100213.

作者简介

李湉湉，博士，研究员，博士生导师，中国疾病预防控制中心环境所环境健康风险评估室主任。研究方向为气候变化、空气污染与健康。2014年入选国家万人计划青年拔尖人才。发表学术论文百余篇。主持国家及省部级科研项目10余项，获得具有自主知识产权的软件著作权20余项。

施小明，医学博士，研究员，博士生导师，中国疾病预防控制中心环境所所长，国家杰出青年科学基金获得者（2020年），第十三届全国政协委员。长期从事慢性病流行病学研究，聚焦环境与健康、老年健康等重大科技问题，承担国家级科研项目和课题10余项，取得系列原创性研究成果，发表高水平研究论文200余篇。获第二十届吴杨奖，入选国家百千万人才工程，授予有突出贡献中青年专家荣誉称号，获国务院政府特殊津贴。

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