综述：环境分析中的代谢组学：应用、进展与新兴挑战

《TrAC Trends in Analytical Chemistry》：Metabolomics in Environmental Analysis: Applications, Advances, and Emerging Challenges

　　

林鹏|颜红|蔡宗伟

中国香港特别行政区香港浸会大学化学系

摘要

随着环境污染物日益复杂且普遍存在，人们需要灵敏且能揭示作用机制的工具来开展暴露科学研究。代谢组学能够捕捉化学物质暴露所引发的系统性代谢紊乱，为将分子层面的变化与生物体及种群层面的影响联系起来提供了重要平台。本综述重点介绍了环境代谢组学的最新进展，主要涵盖三个领域：（1）生态生物监测，通过效应导向分析提升对早期生物效应的检测能力及因果关系评估；（2）机制毒理学，通过整合体内和体外研究的多尺度模型，为不良结局途径及定量不良结局途径分析提供依据；（3）环境流行病学，借助全代谢组关联分析、中间交汇框架以及先进的统计和人工智能计算方法，推动生物标志物的发现及作用途径的推断。通过总结各种方法与创新成果，本综述认为代谢组学是下一代环境健康研究的基石，有助于在复杂场景下运用新方法体系开展具有预测性和机制性的化学风险评估。

引言

合成有机污染物在各类环境介质中广泛存在。这主要是因为它们被广泛应用于工业生产、农业、消费品以及制药领域[1]。最新的统计显示，全球有超过35万种化学物质及混合物被注册用于商业用途，其中有机化合物占比最大[2]。这类物质通常结构多样，且易在低剂量下长期暴露于环境中，同时其毒理学特性也往往不够完善，因此给生态可持续性及公共健康带来了越来越大的挑战[3]、[4]。为此，环境分析已从传统的以化学物质为中心的监测方式，转向基于实际效应的评估框架。这种转变认识到，环境效应是由化学、物理、生物以及心理社会因素等多种因素共同作用产生的，这些因素统称为“暴露组”[5]。新兴的暴露组学旨在描述这些动态的暴露因素及其对健康的影响，而“功能暴露组学”则着重于识别具有生物活性的成分并明确其作用机制[6]。

这一理念的转变推动了新方法体系的快速发展，这类方法最初是出于动物福利考虑而提出的，其核心理念是遵循3R原则，即减少、优化以及替代动物实验[7]。欧洲化学品管理局、美国环境保护局以及加拿大卫生部健康环境与消费者安全局等监管机构都日益鼓励在化学风险评估中采用这类新方法[7]、[8]。新方法体系涵盖了多种创新工具，包括高通量筛选技术、计算毒理学模型以及基于组学的分析平台[9]。在各类新兴的新方法体系中，代谢组学因能够提供与体外模型和计算框架相兼容的定量及系统级数据而受到越来越多关注[10]。代谢组学可系统地分析小分子代谢物，反映基因、转录本和蛋白质的综合作用效果[11]。它既能感知体内的生物调节机制，也能响应外部暴露因素，从而为了解细胞内的变化提供直接依据[12]。与转录组学或蛋白组学不同，代谢组学能够在组织损伤发生之前检测到早期且微弱的生化反应，因此特别适用于识别慢性、低剂量或混合暴露所带来的影响[12]。

先进的代谢组学分析依赖于核磁共振和高效液相色谱-质谱等高性能分析技术[13]。核磁共振擅长检测难以电离的物质，且分析过程不会破坏样本；而高效液相色谱-质谱则通过与气相色谱-质谱、液相色谱-质谱以及毛细管电泳-质谱等技术结合，具备更高的灵敏度和选择性[14]。代谢组学数据的处理通常会借助XCMS和MS-DIAL等计算工具来进行峰值提取、对齐和标准化处理，而代谢物的鉴定则依靠人类代谢组数据库和METLIN等经过整理的质量谱库来完成[15]。分子量不超过1,000道尔顿的小分子，如氨基酸、核苷酸、脂肪酸和脂类，都可以通过这些先进的技术平台进行分析，这些平台既可采用无目标分析方法，也可采用目标分析方法来研究代谢组[16]。无目标代谢组学能够提供代谢物的整体信息，常用于生物标志物的发现；而目标代谢组学则可实现特定代谢物的精确量化，从而验证相关研究结果[17]。大量研究表明，代谢组学可以通过追踪与暴露相关的生物标志物，成为连接环境暴露与不良健康后果之间的机制桥梁，因此在环境研究中是一种极为有效的分析技术[18]。面对如此复杂的暴露情况，结合代谢组学的功能暴露组学能够解答环境健康评估中的两个核心问题：（1）哪些具体的环境暴露因素会影响人类和生态系统？（2）它们通过何种特定的机制路径，在分子、个体及种群层面产生相应的健康影响？

本综述总结了将代谢组学应用于环境中有机污染物分析方面的最新进展及发展趋势。相关应用可分为三个主题领域：（1）生态与环境生物监测，通过代谢物特征来检测具有生物活性的暴露因素以及生物体的早期反应；（2）机制毒理学，重点研究作用途径层面的紊乱以及多尺度实验模型；（3）环境流行病学，侧重于生物标志物的发现以及基于暴露组的推理分析。总体而言，这些领域都凸显出代谢组学在推动暴露科学研究及加强环境健康保护方面的重要作用。此外，本综述还探讨了正在塑造环境分析领域代谢组学未来的各种方法创新，包括分析技术的进步以及数据整合策略。

章节节选

生态环境生物监测中的代谢组学

传统的生物监测方法通常会检测生存率、生长状况或繁殖率等可观察的生物指标[19]。虽然这些指标能够清晰地体现环境造成的影响，但往往缺乏足够的灵敏度，无法检测到低水平暴露所引发的早期或细微的生理紊乱[9]。此外，在复杂的混合环境中，要确定导致观察到的生物效应的具体致害因素仍然是一项艰巨的任务

作为整合代谢组学机制框架的不良结局途径

环境毒理学已经从以观察性指标为基础的研究方式，转向基于机制的分析方法，但将分子层面的变化与健康后果联系起来依然面临挑战。美国环境保护局于2010年提出了不良结局途径这一框架，该框架也被经济合作与发展组织所采纳[31]、[32]，它通过为毒理机制提供结构化的表述方式，弥补了这一缺陷。如图3所示，不良结局途径展示了从分子起始事件开始的一系列过程

通过基于代谢组学的方法揭示因果途径

环境流行病学在建立复杂的環境暴露因素与健康后果之间的机制联系方面面临着诸多挑战。传统的流行病学方法往往仅能得出统计上的关联关系，无法深入揭示疾病发生的真正机制。而代谢组学作为生物过程的下游表现，能够捕捉环境干扰所引发的动态分子反应，为此类研究提供了前所未有的机会

未来展望与挑战

随着环境代谢组学不断发展，它为深入理解化学污染物对健康和生态系统的影响带来了巨大机遇。本综述阐述了代谢组学在生态生物监测、机制毒理学以及环境流行病学中的作用，这些领域各自都有独特的价值，同时也面临着不同的挑战。

代谢组学能够灵敏地检测哨兵物种中作用途径层面的早期变化，再结合效应导向分析，

CRediT作者贡献说明

蔡宗伟：撰写——综述与编辑，指导工作。颜红：撰写——综述与编辑，可视化处理。林鹏：撰写——综述与编辑，原始稿件撰写

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢

通讯作者衷心感谢郭钟伯芬慈善基金设立了郭逸伟环境与生物分析荣誉教授职位。本研究还得到了中国国家自然科学基金重大项目（编号22036001）、香港研究资助局基金（编号12302824）以及香港浸会大学新学者启动基金的支持（编号165520）。