急性臭氧暴露诱导老年小鼠肺损伤的多组学证据

《Environmental Pollution》：Acute ozone exposure induced lung impairments in aged mice: multi-omics evidence

　　

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  在老年小鼠中研究了急性臭氧暴露后的不良影响。
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  发生了限制性通气功能障碍和明显的肺泡破坏。
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  急性臭氧暴露引起了肺部和血清代谢的显著改变。
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  潜在的肠-肺轴调控可能参与臭氧引起的肺损伤。
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  HIF-1α驱动的铁死亡是臭氧导致老年小鼠肺损伤的一个关键参与者。

引言

环境臭氧（O₃）污染带来的健康负担已成为全球关注的问题。例如，2000年至2019年间，全球臭氧相关死亡率增加了46%，从290,400例（95%置信区间：151,800–457,600）上升至423,100例死亡（95%置信区间：223,200–659,400）^[1]。更重要的是，Sicard 等人记录，在2000年至2017年间，欧洲每年的臭氧相关死亡率增加了每百万0.55例^[2]。同样，臭氧污染在中国正逐渐成为一个严重的公共卫生问题^[3]。值得注意的是，Wang 等人提出，当前臭氧污染对全球健康的风险被严重低估了^[4]。这些发现强调了量化臭氧暴露对人类健康不良影响的紧迫性。然而，目前对臭氧暴露所致有害效应及其潜在机制的最新认识仍然有限。迫切需要更多实验证据，为政策制定、环境保护和促进健康提供参考。

呼吸系统是臭氧暴露的主要靶器官。人群数据已证实，臭氧暴露可增加呼吸系统和全因死亡的风险^[5]。日益加剧的臭氧污染可引起肺功能障碍、因呼吸疾病住院以及哮喘的诱发和加重^[6]。相比之下，老年人肺功能下降、抗氧化能力减弱、免疫系统功能衰退，甚至存在潜在的健康问题，使其更容易受到臭氧引发的呼吸系统损伤和炎症反应的影响^[7]。目前，中国是一个中度老龄化社会。2022年，中国65岁及以上人口达到2.0978亿（占总人口的14.9%）。Yang 等人分析了不同年龄段中国臭氧污染的空间和时间特征，发现老年人群的全因过早死亡率最高，其次是成年人群^[8]。人群证据指出，老年人在短期或长期暴露于臭氧后死亡风险增加^[9]，尤其是那些已有基础疾病的人^[10]。然而，相关的实验研究非常稀缺。

代谢组学分析被广泛用于通过剖析生物样品中的代谢物来阐明各种疾病的发病机制，并为疾病的预防和控制识别新型生物标志物^[11]。先前的研究已表明，臭氧暴露会诱导代谢紊乱，包括气道代谢的改变^[12]以及肺部花生四烯酸、甘油磷脂和脂肪酸代谢障碍，导致气道高反应性和肺炎症^[13]。此外，肠道微生物群通过肠-肺轴调节肺部免疫稳态，参与肺部对臭氧的反应^[14]。在关于短期臭氧暴露（1 ppm，每天4小时，连续5天）的研究中，Xu 等人将肠道微生物群失调与臭氧引起的气道高反应性和炎症联系起来^[15]。然而，介导臭氧所致肺损伤的具体途径仍不清楚。

在此背景下，我们通过建立16月龄小鼠急性臭氧暴露模型，研究了臭氧对老年人的健康影响。通过评估急性臭氧暴露后肺组织、血清代谢组和肠道菌群的改变，阐明了臭氧所致老年小鼠肺损伤的效应和机制。本研究将为臭氧暴露对老年人造成的肺损伤风险提供新证据，从而对臭氧的毒理学安全评价和相关标准的制定具有重要意义。

章节摘要

动物护理与处理

SPF级雄性C57BL/6J小鼠（16月龄）购自北京维通利华实验动物技术有限公司。所有小鼠饲养在温度和湿度控制的房间中（22 ± 1 °C，55 ± 5%），12小时光照/黑暗周期，自由饮水和标准饮食（产品编号#1022，北京华福康生物科技有限公司）。动物护理和实验经首都医科大学动物实验伦理委员会批准（编号：AEEI-2018-070）。

老年小鼠臭氧暴露的一般毒理学评估和肺组织学分析

具体实验步骤见图1A。如图1B所示，与FA组相比，暴露于O₃的小鼠体重明显下降（P < 0.05），从暴露后第1天开始出现。体重下降率也呈现相似趋势（图1C），计算公式为：（初始体重 - 最终体重）/ 初始体重 × 100%。相比之下，急性臭氧暴露后小鼠的肺系数增加（图1D），

讨论

臭氧污染在空气质量和公共卫生中的重要性日益突出。近年来，近地面臭氧浓度的持续升高不仅对人类呼吸健康构成严重威胁，也威胁着社会经济发展。尽管相关研究取得了显著进展，但急性臭氧暴露对老龄生物体的健康影响仍不清楚，涉及的基本过程尚未完全阐明。本研究

优势与局限性

本研究基于环境老年学对肺损伤的关注，在老年小鼠模型中整合了纵向非侵入性肺功能监测和多组学分析。研究结果表明，急性臭氧暴露会诱导肺部和全身性改变，其特征为肺/血清代谢失调和肠道微生物群失调。值得注意的是，急性臭氧暴露诱发了HIF-1相关的肠道微生物群失调和肺部铁死亡，突显了潜在的

结论

本研究揭示，急性臭氧暴露会在老年小鼠中引起呼吸系统损伤，这与代谢重编程和微生物稳态破坏密切相关，提示可能存在肠-肺轴的参与。机制研究确定，在代谢组和微生物分析的指导下，HIF-1α相关的铁死亡可能作为核心机制支柱发挥作用。总之，我们的工作证明了急性臭氧暴露对老年小鼠的肺部影响，

CRediT作者贡献声明

乔叶：撰写 – 审阅与编辑，监督。冯珊珊：可视化，调查。任嘉泽：可视化，调查。郁柔朱：可视化，调查。李彦博：撰写 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，数据整理。曹景格：可视化，调查。孟茹茹：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿，可视化，验证，调查，形式分析。郭彩霞：撰写 – 审阅与

伦理声明

本研究按照ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南进行。本研究经首都医科大学动物实验伦理委员会批准。（批准编号：AEEI-2018-070）

利益冲突声明

所有作者均无利益冲突。

资金

本工作由国家自然科学基金委员会（82473666）和高层次公共卫生技术人才建设专项资金（xuekegugan-02-45）资助。

利益冲突声明

? 作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本论文中报告的工作。

孟茹茹|曹景格|郭彩霞|郁柔朱|任嘉泽|冯珊珊|乔叶|李彦博