本文選題：代謝組學　切入點：砷暴露　出處：《華中科技大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：重金屬是一類重要的環(huán)境污染物,包括鎘、鉛、鉻以及類金屬砷等,超過一定水平的重金屬暴露會對人體健康造成危害。動物實驗和人群流行病學研究均發(fā)現(xiàn),長期暴露于高水平的砷會增加Ⅱ型糖尿病、高血壓和腎病等慢性疾病的發(fā)病風險。此外,砷在孕婦體內(nèi)的蓄積與妊娠糖尿病和妊娠高血壓的發(fā)生相關(guān),孕期砷暴露可能是流產(chǎn)、早產(chǎn)、低出生體重等不良出生結(jié)局的危險因素。然而,已有的研究大多是基于地方性砷中毒地區(qū)的高砷暴露人群,目前尚無針對相對低水平的環(huán)境砷暴露對普通城市人群健康影響的研究報道。相較于一般人群,孕婦對環(huán)境污染物暴露更為敏感,暴露于相對低水平的砷也可能對孕婦的健康產(chǎn)生一定的危害,因此研究相對低水平砷暴露對孕婦的健康效應具有重要的現(xiàn)實意義。本論文利用代謝組學方法研究相對低水平環(huán)境砷暴露對城市人群孕早期尿樣代謝組的影響,并篩選適宜的暴露效應標志物。鎘是一種典型的重金屬類環(huán)境污染物,其主要暴露途徑為消化道暴露和呼吸道暴露。研究發(fā)現(xiàn)妊娠高血壓疾病患者的尿鎘或血鎘濃度顯著高于健康人群,并且鎘還能增加流產(chǎn)、胎兒宮內(nèi)發(fā)育遲緩以及新生兒低出生體重等的風險。目前已有將代謝組學技術(shù)應用于鎘暴露研究的相關(guān)報道,但其研究對象均為成年男性,且鎘暴露水平較高。至今尚無針對孕婦,尤其是低水平鎘暴露孕婦的代謝組學研究。本研究利用代謝組學手段結(jié)合多變量統(tǒng)計分析方法,探討城市人群孕早期鎘暴露后尿代謝輪廓的變化,篩選適宜的暴露效應標志物,并研究鎘暴露對孕婦尿樣代謝組的影響。此外,本研究還對孕早期砷、鎘聯(lián)合暴露對孕婦尿樣代謝組的影響進行了探討。第一部分：砷暴露對城市人群孕早期尿液代謝的影響目的：研究環(huán)境低水平砷暴露對城市人群孕期尿代謝的影響,并利用代謝組學方法篩選孕期砷暴露相關(guān)生物標志物。方法：收集了246名孕婦的孕早期尿樣,通過電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(I CP-MS)檢測尿砷濃度,并根據(jù)尿砷濃度的三分位分布將孕婦分為低、中、高砷暴露三組。利用超高效液相色譜-四極桿飛行時間串聯(lián)質(zhì)譜(UPLC/Q-TOFMS)對三組孕婦尿液進行代謝組學檢測,比較三組孕婦之間代謝輪廓的差異,結(jié)合偏最小二乘法判別分析法(PLS-DA)從各組間具有顯著性差異的代謝物中篩選孕期砷暴露相關(guān)的生物標志物,并利用受試者工作特征(ROC)曲線分析對篩選出的生物標志物的診斷能力做出評價。系統(tǒng)聚類分析法(HCA)用于分析和描述潛在生物標志物的組間豐度差異。最后借助HMDB、 METLIN和KEGG數(shù)據(jù)庫解讀生物標志物的生物學意義,探討砷暴露對孕婦尿樣代謝組造成的影響。結(jié)果：尿樣代謝組學分析結(jié)果顯示,砷暴露水平不同的三組樣本具有不同的代謝輪廓。通過比較低砷暴露和高砷暴露組的樣本數(shù)據(jù)建立PLS-DA模型,從而篩選出9個與孕期環(huán)境砷暴露密切相關(guān)的潛在生物標志物,分別是：glutathione、18-carboxy-dinor-LTE4、20-COOH-LTE4、thiocysteine、cystathionine ketimin、1-(beta-D-ribofuranosyl)-1,4-dihydronicotinamide、LysoPC (14:0)、p-cresol glucuronid和vanillactic acid。其中g(shù)lutathione、18-carboxy-dinor-LTE4、20-COOH-LTE4、thiocysteine、cystathionine ketimin和1-(beta-D-ribofuranosyl)-1,4-dihydronicotinamide水平的變化可能與孕期砷暴露引起的氧化應激相關(guān),LysoPC(14：0)、p-cresol glucuronid和vanillactic acid水平的變化可能與砷暴露引起的多臟器損傷相關(guān)。由這9個生物標志物組成的聯(lián)合診斷模型ROC曲線下面積(AUC)為0.80,表現(xiàn)出較高的區(qū)分低砷暴露組與高砷暴露組的診斷能力。結(jié)論：本研究中孕婦的砷暴露水平低于美國毒物和疾病登記局(ATSDR)制定的砷暴露安全標準(尿砷"f100μg/L),研究結(jié)果顯示,該相對低水平的環(huán)境砷暴露造成了孕婦代謝的改變,這些改變會對孕婦的健康造成不利影響。本研究將有助于我們更好地評估孕期環(huán)境砷暴露的健康風險。第二部分：鎘暴露對城市人群孕早期尿液代謝的影響目的：研究環(huán)境低水平鎘暴露對城市人群孕期尿代謝的影響,并利用代謝組學方法篩選孕期鎘暴露相關(guān)生物標志物。方法：使用ICP-MS檢測246例孕早期尿樣的尿鎘濃度,按照鎘濃度三分位分布將孕婦分為高、中、低暴露三組。隨后利用UPLC/Q-TOF MS對三組孕婦尿樣進行代謝組學檢測,比較三組孕婦之間代謝輪廓的差異,結(jié)合PLS-DA判別分析法從各組間具有顯著性差異的代謝物中篩選、鑒定出低劑量鎘暴露相關(guān)的生物標志物,并利用ROC曲線分析對篩選出的生物標志物的診斷能力做出評價。潛在生物標志物的組間豐度差異使用HCA分析法進行分析和描述。最后借助HMDB、METLIN和KEGG數(shù)據(jù)庫解讀生物標志物的生物學意義,探討低水平環(huán)境鎘暴露對孕婦尿樣代謝組造成的影響。結(jié)果：尿樣代謝組學分析結(jié)果顯示,鎘暴露水平不同的三組孕婦具有不同的代謝輪廓。通過比較低鎘暴露和高鎘暴露組的樣本數(shù)據(jù)建立PLS-DA模型,最終獲得了8個與普通城市居民孕期鎘暴露密切相關(guān)的潛在生物標志物,分別是：L-cystine、L-tyrosine、 dityrosine、cysteineglutathione disulfide、16DHEA-S、prolylhydroxyproline、histamine和uric acid。其中,與低暴露組相比高暴露組尿樣中L-cystine、L-tyrosine、dityrosine和cysteineglutathione disulfide水平的升高可能與鎘暴露引起的氧化應激反應相關(guān),uric acid與histamine水平的降低可能與鎘暴露引起的腎功能損害相關(guān),16DHEA-S和prolylhydroxyproline水平的升高可能與鎘暴露引起的其他臟器損傷相關(guān)。由上述生物標志物組成的聯(lián)合診斷模型的ROC曲線下面積(AUC)為0.90,顯示出較強的診斷效力,未來可用于孕期環(huán)境鎘暴露的健康風險預警。結(jié)論：本研究發(fā)現(xiàn),低于世界衛(wèi)生組織(WHO)鎘暴露健康限值(尿鎘=5μg/gCr)的環(huán)境鎘暴露也會造成孕婦尿代謝組的改變,這些變化可能與不良的健康結(jié)局相關(guān)。研究結(jié)果表明,代謝組學方法能很好地反映孕婦受低水平環(huán)境鎘暴露后尿樣代謝組改變的狀況,這將有助于我們更好進行孕期鎘暴露的風險評估并對其健康風險展開防控。第三部分：砷、鎘聯(lián)合暴露對城市人群孕早期尿液代謝的影響目的：研究砷、鎘聯(lián)合暴露對城市人群孕期尿代謝的影響,并利用代謝組學方法篩選孕期砷、鎘聯(lián)合暴露相關(guān)生物標志物。方法：使用ICP-M S對246名孕婦的尿砷和尿鎘濃度進行檢測,采用2×2析因設計將孕婦分為低砷低鎘暴露、高砷低鎘暴露、低砷高鎘暴露和高砷高鎘暴露4組,并以低砷低鎘暴露組作為對照組,高砷低鎘暴露組作為砷單獨暴露組,低砷高鎘暴露組作為鎘單暴露毒組,高砷高鎘暴露組作為砷、鎘聯(lián)合暴露組進行研究。隨后利用JPLC/Q-TOF MS對各組孕婦尿液中的代謝物進行了檢測,并采用P LS-DA的方法對樣本代謝組學數(shù)據(jù)進行分析,尋找砷、鎘聯(lián)合暴露效應相關(guān)的尿代謝產(chǎn)物,結(jié)合其生物學意義和代謝通路,探討孕期砷、鎘聯(lián)合暴露對孕婦代謝造成的影響。此外,本研究采用析因設計的兩因素方差分析方法,通過分析各組尿樣中差異性代謝物的相對含量,研究砷和鎘聯(lián)合暴露復合效應的作用的模式。結(jié)果：尿代謝組學分析結(jié)果顯示,砷、鎘聯(lián)合暴露組的孕婦尿樣代謝輪廓不同于其他三組。通過比較對照組和聯(lián)合暴露組的樣本數(shù)據(jù)建立PLS-DA模型,發(fā)現(xiàn)8個組間差異性代謝物,其中L-cystine、p-cresol glucuronide、1-(beta-D-ribofuranosyl)-1,4-dihydronicotinamide和uric acid是前兩部分研究中單獨關(guān)注砷或鎘的效應所篩選出的效應標志物,而20-oxo-LTE4、N-acetyl-LTE4、gamma-CEHC和xanthosine是新發(fā)現(xiàn)的差異性代謝物。這表明砷、鎘聯(lián)合暴露對機體尿代謝組的影響既保留了單獨暴露的作用,同時又產(chǎn)生了一些新的作用。此外,析因方差分析結(jié)果表明,在本研究中,砷與鎘聯(lián)合作用模式為相加作用。結(jié)論：砷、鎘聯(lián)合暴露會對孕婦的尿代謝組造成不同于單獨暴露的影響。代謝組學技術(shù)在人群重金屬聯(lián)合暴露效應的研究上具有良好的應用前景。
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【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：R114

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本文編號：1584968