要茂盛課題組使用大鼠呼吸氣態(tài)生物標(biāo)志物實時監(jiān)測空氣污染對健康的影響

摘要：研究空氣污染對健康的影響采用離線技術(shù)，因此無法提供現(xiàn)場觀測。在這里，我們通過使用開發(fā)的集成呼氣陣列傳感器（IEBAS）在線分析來自大鼠呼出氣體的一系列生物標(biāo)志物，展示了它們的實時監(jiān)測。生物標(biāo)志物包括總揮發(fā)性有機(jī)化合物（TVOC）、CO2、CO、NO、H2S、H2O2、O2和NH3。通過氣相色譜-離子遷移譜儀（GC-IMS）分析了特定的呼吸傳播VOCs。在現(xiàn)實生活中的環(huán)境空氣污染暴露（2小時）后，PM2.5和O3的污染水平都顯著影響大鼠呼吸中多種氣體生物標(biāo)志物的相對水平。11個生物標(biāo)志物，特別是NO、H2S和1-丙醇，被檢測到與PM2.5濃度顯著相關(guān)，而庚醛被證明與O3顯著相關(guān)。同樣，與合成空氣暴露相比，在實驗室控制的O3暴露水平為150、300和1000 μg/m3（2小時）的大鼠中，多種呼吸性生物標(biāo)志物也檢測到顯著變化。重要的是，庚二醛被實驗證實是O3暴露的可靠生物標(biāo)志物，具有顯著的劑量-反應(yīng)關(guān)系。相比之下，暴露2小時后，大鼠血清中炎癥和氧化應(yīng)激的常規(guī)生物標(biāo)志物差異不顯著。結(jié)果表明，呼吸性氣體生物標(biāo)志物可以作為環(huán)境污染物暴露的早期敏感指標(biāo)。這項工作開創(chuàng)了在線監(jiān)測空氣污染對健康影響的新研究范式，同時獲得了PM2.5和O3暴露的重要候選生物標(biāo)志物信息。

正文：

空氣污染是當(dāng)代社會面臨的重大環(huán)境問題之一。以PM2.5、O3、生物氣溶膠等為特征的空氣污染對人類健康影響巨大，如引發(fā)炎癥、氧化應(yīng)激、呼吸系統(tǒng)疾病、心血管疾病等，甚至是死亡。近日國務(wù)院出臺了《空氣質(zhì)量持續(xù)改善行動計劃》，強(qiáng)調(diào)以改善空氣質(zhì)量為核心，以減少重污染天氣和解決人民群眾身邊的突出大氣環(huán)境問題為重點，以降低細(xì)顆粒物（PM2.5）濃度為主線，大力推動氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）減排。減排的最終目標(biāo)是保護(hù)人群健康，但目前還是以顆粒物的質(zhì)量濃度來評估空氣質(zhì)量和控制效率，而缺失了實際健康效應(yīng)的考量。

大氣中除了顆粒物，還有氣體污染物以及生物成分如過敏原、毒素等。人體呼吸暴露的健康效應(yīng)需要考慮所有這些物質(zhì)的效應(yīng)以及它們可能存在的協(xié)同作用。此外，目前研究空氣污染健康效應(yīng)的方法通常采用離線技術(shù)，如PM鼻腔灌注、血液注射或富集后再氣溶膠化，并需要進(jìn)行繁瑣、有創(chuàng)的組織或血液取樣分析。這些缺點限制了對真實環(huán)境中空氣污染健康危害的精準(zhǔn)的、具有時效性的評估和預(yù)警。實時在線監(jiān)測大氣污染綜合健康效應(yīng)的實現(xiàn)能夠更精準(zhǔn)地、更時效地評估空氣污染的健康危害，為大氣污染控制的最佳健康收益提供技術(shù)支撐。

針對以上問題，北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院要茂盛教授團(tuán)隊在過去的幾年里一直致力于新一代空氣毒性監(jiān)測方法和技術(shù)的創(chuàng)新，專注于利用早期健康效應(yīng)生物標(biāo)志物的無創(chuàng)分析，實現(xiàn)空氣污染健康效應(yīng)的實時在線監(jiān)測與預(yù)警。最近研發(fā)了基于大鼠活體傳感實時在線監(jiān)測空氣污染健康效應(yīng)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過集成活體大鼠、大鼠呼出氣標(biāo)志物實時監(jiān)測陣列、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸與顯示系統(tǒng)，實現(xiàn)了大氣污染健康效應(yīng)的實時探測與顯示，開啟了新模式的空氣污染監(jiān)測思路（圖1）。該系統(tǒng)已經(jīng)在全國12個重要城市部署示范監(jiān)測空氣污染健康效應(yīng)。

圖1 基于大鼠呼出氣標(biāo)志物實時監(jiān)測空氣污染健康效應(yīng)實物圖

該監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過了實驗室可控研究以及室外環(huán)境大氣監(jiān)測示范，系統(tǒng)包括活體大鼠、大鼠呼出氣標(biāo)志物監(jiān)測裝置以及網(wǎng)絡(luò)顯示系統(tǒng)。研究團(tuán)隊首次開發(fā)了一種集成式呼出氣陣列傳感器（IEBAS），該傳感器由8個低成本氣體傳感器組成，用于同步實時監(jiān)測活體動物呼出氣中的TVOC、CO2、CO、NO、H2S、H2O2、NH3和O2。在實驗室可控研究中，將27只Wistar大鼠暴露于9個不同污染時段的室外污染空氣中，并將24只大鼠暴露于實驗室控制的臭氧中（0 μg/m3, 150 μg/m3, 300 μg/m3, 1000 μg/m3），暴露時間均為2小時。使用IEBAS監(jiān)測大鼠呼出氣中8種氣體標(biāo)志物在污染空氣暴露前后的變化，并使用氣相色譜-離子遷移譜儀（GC-IMS）分析呼出氣體中具體VOCs的變化。在實驗室臭氧暴露后，同時對大鼠進(jìn)行靜脈采血以檢測傳統(tǒng)的炎癥及氧化應(yīng)激血液生物標(biāo)志物，從而對比不同方法在反映空氣毒性上的效果和靈敏度。研究發(fā)現(xiàn)，在將大鼠暴露于真實室外污染空氣后，使用集成式呼出氣陣列傳感器和GC-IMS實時監(jiān)測到大鼠呼出氣中的多種氣體標(biāo)志物發(fā)生顯著改變（圖2）。其中，PM2.5污染水平顯著影響了CO、NO、H2S、H2O2、O2、NH3和正丙醇的相對水平，O3污染水平顯著影響了NO、H2S、O2、NH3、庚醛和2-庚酮的相對水平；多種氣體標(biāo)志物與PM2.5和O3的濃度之間存在顯著相關(guān)性。這些證據(jù)表明，在2 h的暴露窗口中，PM2.5和O3的暴露顯著改變了大鼠呼出氣中多種氣體標(biāo)志物的釋放模式，并能通過本研究構(gòu)建的方法實時在線監(jiān)測到。研究進(jìn)一步在實驗室條件下驗證了該方法的可靠性，并發(fā)現(xiàn)合成空氣暴露2 h不會顯著改變大鼠呼出氣中的氣體標(biāo)志物；而不同濃度的臭氧（150 μg/m3、300 μg/m3、1000 μg/m3）暴露2 h顯著改變了大鼠呼出氣中的多種氣體生物標(biāo)志物，其中TVOC、CO、H2S、O2和庚醛與臭氧濃度之間具有明顯的劑量-反應(yīng)關(guān)系（圖3）。這些證據(jù)表明，大鼠呼吸潔凈空氣時所研究的呼出氣標(biāo)志物改變不顯著，而呼吸毒性空氣時多種標(biāo)志物會發(fā)生重要變化，且與污染物濃度存在劑量-反應(yīng)關(guān)系。相比較蛋白標(biāo)志物，呼出氣氣體生物標(biāo)志物對毒性空氣暴露的響應(yīng)更為迅速和靈敏。

圖2 真實室外污染空氣暴露導(dǎo)致大鼠多種呼出氣標(biāo)志物改變

圖3 臭氧模擬暴露驗證劑量-反應(yīng)關(guān)系

這項研究通過利用活體大鼠開創(chuàng)了一種實時在線感知空氣污染健康效應(yīng)的新研究范式，首次揭示了大鼠呼出氣中的多種無機(jī)和有機(jī)氣體生物標(biāo)志物在暴露于真實環(huán)境污染空氣后快速發(fā)生顯著改變，同時獲得了PM2.5和O3暴露的重要候選生物標(biāo)志物信息。通過使用本研究發(fā)明的集成式呼出氣陣列傳感器（IEBAS），可實現(xiàn)基于活體傳感的空氣污染健康效應(yīng)的實時在線監(jiān)測。相比于傳統(tǒng)的基于血液和組織的毒理學(xué)分析方法，本方法的優(yōu)勢在于呼出氣的在線、簡便、無創(chuàng)、低成本檢測分析，并且能夠提供多維度、高分辨率的健康效應(yīng)信息。除城市空氣污染監(jiān)測外，該方案也可應(yīng)用于醫(yī)院、學(xué)校、地鐵、海關(guān)等高風(fēng)險場所以及生化反恐事件中的空氣生物安全預(yù)警保障。同樣的呼出氣生物標(biāo)志物監(jiān)測方案也可用于臨床患者的健康狀況監(jiān)測。

目前，課題組已經(jīng)與國內(nèi)12所大學(xué)建立合作，并通過與北京工匠生物科技有限公司合作分別在北京、太原、呼和浩特、西安、蘭州、鄭州、南京、杭州、長沙、成都、昆明、貴陽部署了相關(guān)監(jiān)測系統(tǒng)（圖4）。通過大鼠原位暴露、呼出氣自動采集、傳感陣列分析和網(wǎng)絡(luò)傳輸顯示，該系統(tǒng)可以實時、同步、在線觀測到不同城市24小時的大氣污染健康效應(yīng)，實現(xiàn)對污染事件的快速預(yù)警和不同地區(qū)空氣毒性差異的有效區(qū)分，為大氣污染的精準(zhǔn)防控提供了重要的技術(shù)支撐。

圖4 實時在線監(jiān)測全國不同城市空氣污染健康效應(yīng)

該項研究在大氣污染健康效應(yīng)方面屬于全新的研究范式，研究成果以“Real-time Monitoring of Air Pollution Health Impacts Using Breath-Borne Gaseous Biomarkers from Rats”為題發(fā)表在Environ. Sci. Technol.刊物上（https://doi.org/10.1021/acs.est.3c08629）。論文的第一作者為北大環(huán)境學(xué)院博士生朱晨宇，北大要茂盛教授為通訊作者。該項目主要得到了國家重點研發(fā)計劃（SQ2022YFC3700094）、NSFC創(chuàng)新研究群體基金（22221004）、廣州實驗室（SRPG22-007） 以及國家重點研發(fā)計劃COVID-19專項基金（2023YFC3041200）的資助。相關(guān)技術(shù)系統(tǒng)已申報國家專利。

朱晨宇（論文第一作者，北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院二年級博士研究生）