建筑金属涂装工人复杂化学暴露的非靶向尿液代谢组学研究

《Journal of Hazardous Materials》：Urine Metabolomics Analysis of Construction Painters with Complex Chemical Exposures

　　

研究人员表征了接触金属涂层的建筑工人的尿液代谢物谱。工前与工后尿液比较揭示了与芳香族溶剂相关的失调代谢物。慢性暴露在中间涂层应用中改变了126种代谢物，在面漆涂层应用中改变了64种。嘌呤代谢是中间涂层和面漆涂层暴露共有的途径。代谢组学与氧化应激标志物一致，但揭示了明显的扰动。

建筑行业是经济增长的重要支柱，但同时也是典型的高危行业，工人常暴露于复杂的化学混合物。金属结构涂装油漆工（construction painters）尤其面临复杂的暴露场景，其接触的化学品包括有机溶剂、挥发性有机化合物（volatile organic compounds, VOCs）、环氧树脂、异氰酸酯、有毒金属及多种添加剂。这些化学物质可影响呼吸、皮肤、肝脏、肾脏、神经和免疫系统，其共同损伤机制涉及谷胱甘肽耗竭、活性氧（reactive oxygen species, ROS）生成和炎症等。持续或重复的职业暴露可能使机体补偿机制不堪重负，导致持续性代谢紊乱，而热应激和脱水等共存非化学应激源可进一步加剧这些毒性效应。然而，目前针对建筑工人复杂化学混合物暴露的代谢组学研究极为有限，针对金属结构涂装工人的研究尚属空白。因此，该研究旨在通过非靶向尿液代谢组学，系统表征此类工人暴露相关的分子水平扰动，以填补这一关键空白。

研究人员从美国新英格兰地区12个金属结构涂装工地（包括桥梁、反应堆穹顶、风力发电机、水箱和室内喷漆车间）招募了41名工人，其中16名应用环氧基中间涂层（mid-coat）配方，25名应用脂肪族异氰酸酯基面漆（top-coat）配方，采集其工前和工后尿液。研究结合非靶向代谢组学数据、任务特异性暴露生物标志物分层、水合状态评估以及既往氧化应激（oxidative stress, OS）标志物数据，进行了多维度的整合分析。该研究首次提供了建筑金属涂装工人复杂职业暴露的非靶向尿液代谢组学证据，揭示了不同涂装场景的特异性代谢特征及共有通路，对理解复杂混合物暴露的系统性生物学效应具有重要意义。相关成果发表在《Journal of Hazardous Materials》上。

在技术方法层面，研究人员采用超高效液相色谱-电喷雾电离-四极杆飞行时间质谱（UPLC-ESI-QTOF/MS）在正负离子模式下对尿液样本进行非靶向代谢组学分析；原始数据经MS DIAL软件进行峰检测、对齐和注释，MetaboAnalyst 6.0用于归一化、统计分析和通路富集。研究设置了三种比较策略：每日暴露比较（工前 vs. 工后）、暴露生物标志物分层比较（T1 vs. T3，即最低暴露组 vs. 最高暴露组），以及按尿比重（specific gravity, SG）分层的水合状态比较。暴露生物标志物分别选用中间涂层工人的尿液双酚A二缩水甘油醚水解产物BADGE·2H₂O和面漆工人的尿液六亚甲基二胺（hexamethylene diamine, HDA）。此外，研究还将代谢组学结果与同一队列既往测定的OS标志物（如8-羟基脱氧鸟苷、8-羟基鸟苷、3-硝基酪氨酸等）进行了整合分析。

研究结果部分如下：

**数据库搜索与质量控制（Database Searching and Quality Control）**：正负离子模式初始共检测到55,020个特征，经数据库匹配和双重过滤后，保留981个（正模式）和490个（负模式）高置信度代谢物。质量控制样本显示整个分析过程具有良好稳定性，技术重复样本的Pearson相关系数均大于0.9，表明数据可靠。

**每日暴露分析（Daily Pre- vs. Post-shift Exposure Analysis）**：工前与工后尿液比较显示，中间涂层工人有69种代谢物显著改变（47种上调、22种下调），面漆工人有97种改变（44种上调、53种下调）。两组共享多种改变，其中马尿酸（hippuric acid）和甲基马尿酸（methylhippuric acid）大幅升高，与甲苯和二甲苯等芳香族溶剂暴露一致。通路富集分析显示，中间涂层工人显著富集组氨酸代谢、维生素B6代谢、谷胱甘肽代谢和核黄素代谢，面漆工人则显著富集烟酸和烟酰胺代谢。这表明中涂暴露偏向全身性应激信号和氧化还原平衡，而面漆暴露更侧重于核苷酸周转和NAD依赖性修复过程。

**暴露生物标志物相关代谢组学分析（Exposure Biomarker-Associated Metabolomic Analysis）**：按任务特异性暴露生物标志物分层后，中间涂层工人高暴露组（T3）相对低暴露组（T1）有118种代谢物显著改变（71种上调、47种下调），面漆工人有155种改变（81种上调、74种下调）。两组共享的改变包括马尿酸、4-羟基苯甲酸、吲哚硫酸盐、鸟嘌呤、酪氨酸和4-吡哆酸。中间涂层工人呈现涉及芳香族/苯甲酸类、氨基酸、吲哚和核苷酸代谢的广泛扰动，并伴有抗坏血酸（维生素C）上调；面漆工人则出现皮质酮、己酰肉碱和癸酰肉碱等应激与能量代谢相关代谢物升高，以及鸟嘌呤、黄苷和3-甲基胞苷等核苷酸代谢物降低。通路富集分析显示，中间涂层工人显著富集儿茶酚胺生物合成和酪氨酸代谢，面漆工人显著富集牛磺酸/亚牛磺酸代谢、谷胱甘肽代谢、苯乙酸代谢以及苯丙氨酸/酪氨酸代谢。两组共有酪氨酸代谢扰动，但整体代谢表型差异显著。

**热应激/脱水相关代谢变化（Heat Stress/Dehydration-Related Metabolic Alteration）**：将所有工后尿样按SG分层为水合、脱水和严重脱水组后，筛选出25种与SG强相关（|Spearman相关系数|>0.6）的水合状态相关代谢物，包括马尿酸、组胺、2-羟基苯腈、1,5-萘二胺等。其中部分代谢物与暴露相关分析中的改变重叠，表明水合状态会显著影响尿液代谢物浓度，在解析职业暴露效应时需加以校正。此外，3-甲基腺嘌呤、5-甲基胞嘧啶等核酸修饰代谢物的变化提示脱水状态下可能存在RNA/DNA损伤。

**代谢组学与氧化应激标志物的整合（Integration of Metabolomics and Oxidative Stress Biomarkers）**：将代谢组学发现与既往OS标志物数据整合后，发现面漆工人烟酸/烟酰胺代谢富集与工后8-羟基脱氧鸟苷（8-OHdG）和8-羟基鸟苷（8-OHG）升高一致，提示核苷酸周转和修复需求增加；中间涂层工人儿茶酚胺生物合成富集与硝化应激标志物3-硝基酪氨酸升高一致，表明其更倾向于全身性应激信号。这说明不同暴露场景通过不同生物学途径引发氧化应激，代谢组学与OS标志物提供互补信息。

讨论部分强调，每日暴露分析和暴露生物标志物分层分析分别捕捉了急性与相对长期暴露的不同方面，二者结果互补。不同涂装化学配方产生了特异性代谢特征，但共享氨基酸代谢和谷胱甘肽代谢两条通路，提示不同混合物在分子损伤通路上的汇聚。研究还指出，未校正水合状态可能导致代谢组学结果误读，未来研究应纳入更大规模队列和纵向采样以验证这些探索性发现。

研究结论部分可翻译为：本研究证明，建筑油漆工的职业性复杂化学混合物暴露与单次轮班后及不同暴露生物标志物类别中的尿液代谢组学改变相关。每日暴露分析和暴露生物标志物分层分析产生了不同的代谢物组和通路富集模式，表明它们捕捉了职业暴露生物学反应的不同互补方面。中间涂层工人表现出氨基酸代谢、维生素B6代谢、谷胱甘肽代谢、核黄素代谢和儿茶酚胺生物合成的富集，而面漆工人则富集烟酸和烟酰胺代谢、氨基酸代谢和谷胱甘肽代谢。值得注意的是，氨基酸代谢和谷胱甘肽代谢是两组共有的。这些发现对暴露评估和职业健康具有重要意义，并支持将代谢组学作为识别早期生物学反应和区分不同暴露场景的有力工具。