多环芳烃的暴露风险及其引发肺癌和皮肤癌的潜在靶点和机制：基于2021年全球疾病负担（GBD 2021）数据和计算毒理学的综合研究

《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》：Exposure risks of polycyclic aromatic hydrocarbons and potential targets and mechanisms for lung and skin cancer induction: An integrated study based on GBD 2021 and computational toxicology

PAHs通过代谢激活、氧化应激和炎症途径驱动肺癌与皮肤癌发展，其全球疾病负担显著增加，尤其在快速工业化地区。整合GBD 2021数据、网络毒理学、分子模拟和动物实验，揭示了TP53、TNF、MMP9和INS为核心致癌靶点，并发现PAHs与核受体（如ESR1）的相互作用可能引发内分泌紊乱。动物模型验证了BaP诱导肺损伤及TNF-α、IL6等炎症因子上调。研究提出分子-流行病学联合框架，为精准预防提供新靶点。

　　多环芳烃（PAHs）作为一种广泛存在于环境中的致癌物，其对全球健康的影响深远且尚未完全量化。本文通过整合全球疾病负担（GBD）2021数据、网络毒理学、分子模拟和动物实验等多种方法，系统揭示了PAHs的致癌机制。研究发现，从1990年到2021年，PAHs与肺癌和皮肤癌相关的伤残调整生命年（DALYs）显著上升，其中中国等快速工业化地区承受的负担最为严重。年龄分层分析表明，老年人群体中PAHs的致癌风险呈指数级上升，这可能与长期暴露积累有关。

研究团队通过多平台生物信息学方法识别出TP53、TNF、MMP9和INS作为PAHs毒性的核心靶点，这些靶点在氧化应激、炎症反应和细胞外基质重组等生物过程中具有显著的功能富集。分子对接和动力学模拟进一步证明了PAHs与这些靶点之间存在稳定的高亲和力相互作用，这些作用主要由疏水作用和氢键驱动。动物实验则进一步验证了苯并[a]芘（BaP）对肺部的损伤以及其对关键靶点（如TNF-α、INSR、EGFR、KRAS和IL6）的上调，从而支持了预测的致癌机制。

值得注意的是，研究还发现了此前未被识别的PAHs与核受体的相互作用，这提示了PAHs可能具有内分泌干扰效应。这项研究建立了一个新的框架，将人群层面的疾病模式与分子病理机制联系起来，为暴露监测和精准预防策略提供了潜在的生物标志物。其翻译意义在于为制定基于证据的排放控制政策、开发精准预防手段以及提供靶向化学预防的结构见解，从而推进对环境致癌性的理解，并为全球癌症防控提供可操作的策略。

在方法部分，研究团队首先从GBD 2021数据库中获取了1990年至2021年间与环境颗粒物污染和职业性PAH暴露相关的肺癌DALYs数据。通过Rstudio软件对数据进行处理和可视化，生成了全球分布图和时间趋势线。数据处理还特别关注了不同年龄段的DALYs变化，以便更好地理解年龄对风险的影响。接着，团队利用AdmetLab 3.0和Protox-II数据库预测了主要PAH组分的毒性特征，选择了三种高风险PAHs进行分析：苯并[a]芘（BaP）、二苯并[a,h]蒽（DBA）和苯并[b]芴（BbF）。这些化合物的SMILES序列从PubChem数据库中获取，用于后续分析。

研究团队进一步从BindingDB、ChEMBL、Swiss Target Prediction和TargetNet数据库中预测了化合物的潜在靶点，通过去除重复项并保留高置信度的靶点，确保了分析的准确性。疾病相关靶点则通过查询“肺癌”和“皮肤癌”在GeneCards、OMIM、TTD和DisGeNET数据库中获得，并进行整合和标准化处理，以确保物种特异性。通过韦恩图分析，团队识别出了三种PAHs与两种癌症之间的共通靶点，形成了六个共享靶点的数据集。

为了构建蛋白质相互作用网络并筛选核心靶点，团队使用了STRING数据库的多个蛋白质模块，并通过Cytoscape 3.9.1软件对交互网络进行分析。通过计算节点中心性参数（包括度中心性、接近中心性和中介中心性），团队确定了关键的枢纽靶点。随后，团队进行了基因功能和通路富集分析，使用DAVID数据库对PAHs诱导的肺癌和皮肤癌的致癌机制进行了深入探讨。功能注释和通路分析涵盖了生物过程（BP）、细胞成分（CC）和分子功能（MF）三个类别，并通过KEGG通路富集分析识别了与PAH相关致癌性相关的通路。

通过转录组分析，团队进一步探讨了核心靶点的调控机制。从GEO数据库中获取的转录组数据表明，PAHs处理后，有11,614个基因下调，10,571个基因上调。核心靶点或受体基因如TP53INP1、IL6R和AKT1S1被识别为显著下调的基因，而上调的基因包括TNFRSF1B、KRAS、EGFR和INSR。这些结果通过火山图进行了可视化展示，以揭示整体的表达模式。

在分子对接分析中，团队选择了来自蛋白质相互作用网络和通路分析的枢纽靶点进行模拟。通过AutoDock 4.2软件对PAHs与核心靶点的相互作用进行了预测，结果表明PAHs能够与这些靶点形成良好的结合，其中疏水作用、范德华力和静电相互作用在结合过程中发挥了重要作用。通过计算结合能，团队确定了不同化合物与靶点之间的亲和力，其中BaP与MMP9的结合能为-9.7 kcal/mol，表明其与该靶点具有高亲和力。

为了验证分子对接结果，团队进行了分子动力学模拟。模拟结果表明，BaP与INSR和TNF的结合具有高度稳定性，复合物的RMSD和Rg在75 ns后趋于稳定，表明结合达到了平衡状态。通过MM-PBSA方法计算了结合自由能，结果显示ΔEMMPBSA为-106.101 ± 2.79 kJ/mol，表明结合具有较高的亲和力。主成分分析（PCA）和自由能景观（FEL）图进一步揭示了小分子与蛋白质之间的构象变化和稳定状态。

动物实验部分，团队使用了BaP、DBA和BbF三种PAHs建立小鼠模型，并对模型组小鼠的临床表现、组织病理学变化和分子表达水平进行了分析。模型组小鼠表现出显著的病理症状，包括食量减少、抑郁、体重减轻等，肺部出现明显肿胀和充血。通过H&E染色和免疫组化分析，团队观察到肺部组织的结构破坏和炎症细胞浸润，这与之前的研究结果一致。RT-PCR检测结果显示，模型组小鼠肺部中TNF-α、INSR、EGFR、KRAS和IL6的mRNA表达水平显著上升，进一步验证了计算预测的核心靶点和通路。

在讨论部分，研究团队强调了本研究在整合流行病学与毒理学方法上的重要性。GBD 2021数据分析显示，PAHs暴露导致的癌症负担在全球范围内呈上升趋势，特别是在快速工业化地区如中国和西太平洋地区，这突显了这些地区对PAHs暴露的高风险。年龄分层分析表明，随着年龄增长，PAHs的致癌风险显著增加，这可能与DNA修复能力下降和长期暴露有关。

在分子层面，研究团队通过网络毒理学和分子对接分析，识别出TP53、TNF、MMP9和INS作为PAHs致癌过程中的关键靶点。这些靶点不仅在氧化应激和炎症反应中发挥作用，还与代谢紊乱相关，特别是INS和INSR的富集表明代谢失调可能是PAHs毒性的新轴。分子动力学模拟提供了这些相互作用的结构基础，显示了稳定的PAH-蛋白质复合物，这可能为未来的治疗干预提供潜在靶点。此外，研究还发现了某些核受体和细胞粘附分子与PAHs的高亲和力结合，这为探索PAHs的内分泌干扰效应和转移性进展提供了新的研究方向。

动物实验结果进一步支持了计算预测的核心靶点和通路。模型组小鼠肺部的病理变化与之前的研究一致，包括肺泡壁破坏、红细胞渗出和炎症细胞浸润。免疫组化分析显示，模型组小鼠肺部中TNF-α和IL6的表达水平显著升高，这与转录组分析结果一致。RT-PCR检测也确认了这些关键靶点在mRNA和蛋白水平上的上调，表明它们在致癌过程中的功能性参与。

尽管研究取得了重要进展，但仍存在一些方法上的局限性。例如，GBD模型在考虑个体暴露差异和混合污染物效应方面仍有不足，因此未来研究应结合生物监测数据和真实暴露场景。此外，不同组织对PAHs的反应存在差异，这提示需要更精确的器官特异性模型来更好地模拟人类病理生理过程。

从公共卫生角度来看，研究结果对环境监管和临床实践具有重要意义。快速工业化国家的高负担提示需要紧急的政策干预，例如加速向清洁能源技术过渡和提高高风险职业的安全标准。研究团队提出的生物标志物和治疗靶点为精准预防和治疗提供了新的思路。此外，未来的研究应优先考虑这些靶点在PAH暴露人群中的临床验证，并持续监测现实中的暴露风险。

综上所述，本研究通过整合流行病学、计算和实验方法，全面揭示了PAHs的致癌风险和机制。识别出的核心靶点和通路为暴露监测和精准预防策略提供了基础，同时也为未来研究提供了新的方向，特别是在探索PAHs的内分泌干扰效应和代谢相关毒性方面。研究团队的工作不仅加深了对环境致癌性的理解，也为全球癌症防控提供了科学依据和可行策略。