肾脏黑碳颗粒负荷与转录组关联分析揭示空气污染致肾损伤新机制

《Particle and Fibre Toxicology》：Renal transcriptome-wide analyses in association with kidney black carbon load

本研究针对吸入性黑碳(BC)在肾脏累积的毒性机制问题，通过分析29例肾移植患者活检组织，首次发现肾脏BC负荷与纤毛病通路、巨噬细胞源性抗炎反应及DNA损伤相关基因表达显著相关。研究人员采用转录组-wide关联分析和通路富集分析，揭示BC可能通过影响纤毛发生、免疫调节和细胞凋亡途径损害肾功能，为空气污染相关肾病的防治提供了新靶点。

　　

当我们呼吸着现代城市的空气时，一种看不见的健康威胁正悄然通过血液循环抵达人体各个器官。黑碳(Black Carbon, BC)作为细颗粒物(PM_2.5)的重要组成部分，源自化石燃料的不完全燃烧，近年来被证实能够穿越生理屏障在多种器官中累积。肾脏作为人体重要的过滤器官，每天处理约180升体液，尤其容易受到环境毒物的损害。尽管流行病学研究已发现空气污染与慢性肾病发病风险增加相关，但BC颗粒在肾脏累积的具体分子机制始终是未解之谜。

在这项发表于《Particle and Fibre Toxicology》的研究中，Rasking等人开创性地探索了肾脏BC颗粒负荷与局部基因表达谱的关联。团队假设BC不仅能在肾脏中积累，还会引起转录组水平的变化，进而影响肾脏纤维化进程。这一研究为理解空气污染相关肾损伤的分子基础提供了全新视角。

研究人员采用了几项关键技术方法：收集29例肾移植后1-2年的监测活检组织作为研究对象；通过飞秒脉冲激光显微术检测组织中的BC颗粒负荷；使用Affymetrix基因芯片进行全转录组分析；采用线性回归模型评估基因表达与BC负荷的关联，并利用ConsensusPathDB进行通路富集分析。

研究人群特征与BC检测

研究纳度的29例肾移植患者平均年龄为51.06岁，其中41.38%为女性。肾脏组织中BC颗粒的几何平均值为5.4×10³个/mm³，个体间差异显著（第5至第95百分位数：1.5×10³-4.1×10⁴个/mm³）。

通过飞秒脉冲激光激发产生的白光可清晰识别组织中的BC颗粒，为后续分析奠定基础。

转录组-wide关联分析

多元线性回归模型显示，在54,675个探针组中，1,318个基因的表达与肾脏BC负荷显著相关（p<0.05），其中1,010个基因上调，308个下调。虽然经错误发现率(FDR)校正后无基因达到统计学显著性，但通路富集分析揭示了具有生物学意义的结果。

通路富集分析

过度表征分析(Overrepresentation Analysis, ORA)识别出10条显著富集的通路和7个基因本体(Gene Ontology, GO)术语。

纤毛病通路关联最为显著（p<0.001），涉及18个关键基因。其中，纤毛发生负调控因子TTBK2和基底体关键组分CEP164、FAM161A表达下调，而纤毛发生正调控因子WDPCP和TCTN1表达上调。同时，鞭毛内运输(IFT)相关基因IFT140、WDR35和TRAF3IP1均显示下调，这可能影响纤毛组装和功能。

马雷辛(Maresin)生物合成通路中，CYP2E1表达下调，而CYP3A4和CYP2C9表达上调，这些细胞色素P450酶参与巨噬细胞源性抗炎介质合成，表明BC暴露可能影响肾脏免疫调节。

DNA损伤应答通路中，ATM通路基因SMC1A下调，FANCD2上调；ATR通路中CHEK1下调，RAD52上调。同时，坏死性凋亡通路相关基因RIPK3、FASLG等普遍上调，提示BC可能促进程序性细胞死亡。

GO术语分析进一步证实了纤毛相关结构的富集，包括"纤毛过渡区"、"纤毛质"和"轴丝"等术语，强调了BC对肾脏纤毛系统的广泛影响。

研究结论与意义

这项研究首次建立了肾脏BC颗粒负荷与局部转录组变化的直接关联，揭示了空气污染损害肾脏健康的多重分子机制。BC暴露可能通过干扰纤毛结构和功能损害肾小管的流体感知能力，影响巨噬细胞的抗炎极化状态，并激活DNA损伤应答和程序性细胞死亡通路。

尤其值得注意的是，肾脏纤毛作为重要的机械感受器，其功能障碍与多种肾脏疾病的发生发展密切相关。研究发现BC负荷与纤毛组装、维护和功能相关基因表达改变相关，为理解空气污染相关肾小管功能障碍提供了分子基础。

此外，BC相关基因变化提示巨噬细胞可能向抗炎表型极化，这或许是机体对颗粒物暴露的代偿性反应。而DNA损伤通路相关基因的表达改变则表明BC可能具有遗传毒性，长期暴露可能加速肾脏细胞老化或恶变。

尽管研究样本量有限且为观察性设计，但其创新性地将个体化BC负荷检测与转录组分析相结合，为环境流行病学与分子毒理学的交叉研究提供了范本。研究结果强调需采取公共卫生措施降低空气污染暴露，特别保护高危人群的肾脏健康。未来研究可深入探索BC影响肾脏功能的具体分子途径，为开发针对性干预策略奠定基础。