火灾烟雾诱导的消防员体液中蛋白质改变识别具有预后意义的泛癌生物标志物

《Environment & Health》：Fire-Smoke Induced Protein Alterations in Firefighters' Body Fluids Identify Prognostic Pan-cancer Biomarkers

　　

消防员在灭火过程中经常暴露于复杂的毒物混合物中，越来越多的证据将这些暴露与癌症风险升高联系起来。蛋白质组学分析提供了一种灵敏的手段来检测与这些职业危害相关的早期分子改变。在本研究中，研究人员对消防员在基线和灭火后24小时内采集的配对血清（n=42）和尿液（n=50）样本进行了比较无标记定量蛋白质组学分析。研究人员在血清中鉴定并定量了330个蛋白质组，在尿液中鉴定并定量了1085个蛋白质组。总蛋白丰度的PLS-DA（偏最小二乘判别分析）显示两种体液在暴露前和暴露后样本之间存在明显分离，表明存在暴露相关的蛋白质组变化。火山图分析进一步揭示了两种体液中多种显著改变的蛋白质，其中尿液蛋白质组显示出更广泛的差异表达。对至少70%样本中改变的蛋白质进行通路富集分析，确定了与多种疾病的关联，包括小细胞肺癌。蛋白质-蛋白质相互作用分析揭示了高度互联的癌症相关网络，涉及LAMA4、LAMC1、VWF和B2M。这些发现表明尿液是检测急性暴露效应的敏感基质，而血清提供补充性的全身信息。将两种体液整合到NFPA 1582指导的监测中，可能增强职业健康监测，并支持消防员的早期癌症检测和预防。

**研究背景与问题**

消防员在灭火活动中频繁暴露于复杂的有毒化学混合物，流行病学证据表明，其患多种癌症（如间皮瘤、膀胱癌、前列腺癌等）的风险显著升高。尽管已有研究通过尿液蛋白质组学检测到火灾烟雾暴露后的短期分子变化，但血清与尿液在暴露反应中的敏感性和互补性尚不清楚。现有职业健康监测框架（如NFPA 1582标准）主要依赖传统化学检测，缺乏分子层面的早期预警指标。因此，研究人员开展本研究，旨在系统比较灭火前后配对血清与尿液蛋白质组，识别体液特异性变化、共同信号及与癌症相关的蛋白表达模式，为早期风险分层和预防提供依据。该研究论文发表在《Environment》。

**主要技术方法（不超过250字）**

本研究采用无标记定量蛋白质组学（label-free proteomics）分析消防员灭火前后配对血清（n=42）和尿液（n=50）样本。样本来源为美国俄克拉荷马州的30名消防员（20名提供配对尿液，16名提供配对血清）。主要技术包括：通过LC-MS/MS（液相色谱-串联质谱）进行蛋白质鉴定与定量；利用PLS-DA（偏最小二乘判别分析）评估暴露组间的整体分离；火山图筛选差异表达蛋白（阈值：log₂倍数变化≥1.5，校正p<0.05）；对高置信度蛋白（至少70%样本中检出）进行KEGG（京都基因与基因组百科全书）和RGD（大鼠基因组数据库）通路富集分析；借助STRING（蛋白质相互作用数据库）构建蛋白质-蛋白质相互作用网络。

**研究结果**

**3.1 无标记蛋白质组学的质量控制与重复性评估**
通过内参蛋白BSA（牛血清白蛋白，覆盖率87%）和酵母烯醇酶（覆盖率78%）的峰面积定量分析，验证了样本处理流程和LC-MS/MS分析的高度重复性，为后续定量比较提供了可靠基础。

**3.2 暴露前后血清和尿液蛋白质组谱**
共鉴定血清330个、尿液1085个蛋白质组。PLS-DA分析显示两种体液在暴露前后均存在明显分离。火山图分析发现，尿液中有75个显著差异蛋白（43个上调、32个下调），血清中仅10个（1个上调、9个下调）。进一步筛选高置信度蛋白（至少70%样本检出）后，尿液保留47个，血清保留7个。FGG（纤维蛋白原γ链）是唯一在两种体液中共同调控的蛋白，其表达在尿液升高、血清降低。

**3.3 差异调控蛋白与通路**
对合并的差异蛋白进行通路富集分析，上调蛋白富集于小细胞肺癌、肾细胞癌、癌症通路等（涉及COL4A5、LAMA4、LAMC1、NOTCH1、CDC42等）；下调蛋白与免疫功能障碍、细胞外基质组织、中性粒细胞脱颗粒等通路相关。高置信度蛋白分析进一步确认了小细胞肺癌、ECM-受体相互作用等通路。

**3.4 潜在癌症生物标志物的鉴定**
将差异蛋白与人类蛋白质图谱（HPA）中的癌症相关蛋白对比，发现12个匹配蛋白，包括COL4A5、LAMA4、LAMC1、VWF、ALDH1A1、B2M、NOTCH1、FGG等。蛋白质-蛋白质相互作用网络显示这些蛋白高度互联。箱线图展示选定的上调蛋白（如COL4A5、LAMA4、LAMC1、VWF、ALDH1A1）在尿液暴露后丰度升高，而血清中仅TXN上调。

**讨论与结论总结**

讨论部分指出，尿液在暴露后24小时内表现出更广泛的差异表达，提示其作为急性暴露监测基质的优越性，而血清则提供全身性炎症和血管通路信息。FGG作为跨体液共同标志物，具有潜在临床意义。差异蛋白中，COL4A5、LAMA4、LAMC1与细胞外基质重塑相关，ALDH1A1与癌症干细胞特性相关，VWF与内皮激活相关，B2M下调可能影响免疫识别。这些发现与早期致癌通路一致，但需功能验证。研究建议将尿液与血清蛋白质组学整合到NFPA 1582监测框架中，并优化采样时间（尿液24小时内，血清分阶段）以提升预警能力。

结论部分翻译：本研究首次直接比较消防员灭火后尿液和血清蛋白质组，两种体液均显示暴露相关的蛋白质组改变。尿液在24小时内表现出更广泛的差异表达，与其参与全身清除和短暂扰动的高敏感性一致；血清在急性窗口响应较弱，但提供了全身性炎症和血管通路的补充信息。FGG是唯一跨体液检出的蛋白，具有作为全身性生物标志物的潜力。通路富集分析揭示了与癌症发生和代谢调控的关联，12个蛋白（包括COL4A5、LAMA4、LAMC1、VWF、ALDH1A1、B2M等）与已知癌症蛋白数据库匹配。然而，在缺乏靶向验证研究的情况下，这些发现的生物学和临床意义仍需进一步探究。在NFPA 1582框架下，基于发现的蛋白质组学分析为慢性疾病风险相关的广谱生物标志物筛查提供了可能。研究强调了开展大规模、纵向、多组学体液分析的必要性，以识别与癌症风险增加相关的分子靶点。