肺组织的多组学分析揭示高温和臭氧暴露引起的炎症-代谢轴反应

《Environment & Health》：Multiomics Profiling of Lung Tissues Reveals an Inflammation–Metabolism Axis Response to High-Temperature and Ozone Exposure

　　

环境应激源与热浪和臭氧（O₃）污染相关，日益被认为是代谢和免疫功能障碍的重要贡献因素，但其潜在机制仍不完全清楚。利用新开发的“温度-湿度-臭氧”暴露系统（THOES），研究人员系统应用多组学策略来检查雄性小鼠和Apoe^–/–（载脂蛋白E基因敲除）小鼠中因O₃和高温暴露引起的肺部反应。微生物16S rRNA测序分析显示，高温和臭氧（HO）暴露以及Apoe^–/–导致肠道菌群失调和代谢途径改变，这一发现得到了脂质和氨基酸相关代谢物显著变化的进一步支持。Apoe^–/–加剧了与氧化应激和脂肪酸β-氧化相关的脂质相关代谢物的紊乱。脂质组学鉴定出肺脂质组成在主要脂质类别中的重塑，同时伴随着HO暴露和Apoe^–/–后不饱和脂质种类的显著减少。互补的蛋白质组学分析揭示了急性期蛋白和免疫相关因子的诱导，以及脂质转运蛋白和线粒体呼吸成分的失调，突出了先天免疫和防御相关途径的激活。这些发现表明，HO暴露诱导了肺中协调的免疫、代谢和脂质组学改变，而Apoe^–/–赋予了代谢和脂质稳态破坏的更高易感性。

全球气候变化导致极端高温事件频发，同时臭氧（O₃）污染在许多地区持续上升，高温可加速光化学反应促进O₃形成，使得人群日益暴露于热应激和O₃联合作用之下。流行病学研究显示，高温与O₃共同暴露导致心血管和呼吸系统死亡率风险升高，超过单独暴露效应，表明存在强烈交互作用。然而，二者在生物学层面如何协同干扰肺功能的机制尚不明确。载脂蛋白E（Apoe）是脂质转运、胆固醇代谢和炎症稳态的关键调节因子，其缺失可能导致严重脂质代谢紊乱并加剧氧化应激和炎症反应。因此，研究人员利用新开发的“温度-湿度-臭氧”暴露系统（THOES），对雄性C57BL/6J野生型小鼠和Apoe^–/–（载脂蛋白E基因敲除）小鼠进行高温（36°C）和O₃（120 ppb）联合暴露，模拟典型夏季污染条件，通过多组学策略系统表征肺部的代谢、脂质组和蛋白质组变化，旨在阐明高温和臭氧（HO）暴露如何通过打破适应性代谢重编程途径破坏肺功能，并揭示Apoe缺陷对易感性的影响。该研究提供了环境应激源联合驱动肺损伤的机制新见解，论文发表在《Environment》。

**关键技术方法**
研究人员采用以下主要技术方法：①新型THOES系统用于模拟高温和O₃联合暴露；②16S rRNA基因测序分析肺微生物组组成及多样性；③非靶向液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）代谢组学检测水溶性代谢物；④多重反应监测（MRM）脂质组学分析脂质类别及饱和度；⑤数据非依赖采集（DIA）蛋白质组学鉴定差异表达蛋白。样本来源于16周龄雄性C57BL/6J野生型小鼠和Apoe^–/–小鼠（上海Paijieluo Technology Co., LTD），每组3–6个生物学重复。

**研究结果**
3.1 HO暴露和Apoe^–/–引起肺组织损伤和肺微生物稳态改变
通过组织学观察发现，HO暴露导致野生型和Apoe^–/–小鼠肺组织出现明显中性粒细胞浸润和肺泡隔增厚。16S rRNA测序分析显示，Apoe^–/–在对照条件下物种丰富度（Chao1指数）显著升高，但HO暴露显著降低其丰富度；主成分分析（PCA）清晰分开Apoe^–/–与野生型小鼠。在门水平，Apoe^–/–小鼠中厚壁菌门（Firmicutes）相对丰度升高，变形菌门（Proteobacteria）丰度降低。KEGG功能预测表明，HO暴露和Apoe^–/–显著下调脂质代谢相关途径（如鞘脂代谢、甘油磷脂代谢）。

3.2 HO暴露和Apoe^–/–干扰肺组织脂质和氨基酸代谢
非靶向代谢组学分析（LC-MS/MS）在QC样本中检测到176种代谢物，变异系数<0.3。偏最小二乘判别分析（PLS-DA）显示四组间明显分离。与对照组相比，HO暴露野生型小鼠中多种酰基肉碱（如C12:0、C12:1、C16:1）和磷脂酰胆碱（PC (32:1)）显著降低，二肽（Ala-Glu、谷氨酰甘氨酸）升高。在HO暴露的Apoe^–/–小鼠中，抗氧化代谢物（胆绿素、亚精胺、溶血磷脂酰丝氨酸LPS (18:1)）显著降低，而长链酰基肉碱（棕榈酰肉碱、油酰肉碱C18:1）和氧化胆固醇衍生物（7-酮胆固醇）升高。KEGG通路富集显示受影响途径包括氧化应激和抗氧化防御（谷胱甘肽代谢）、异常脂质代谢（甘油磷脂代谢、脂肪酸降解）及炎症相关氨基酸代谢。

3.3 HO暴露和Apoe^–/–重塑肺脂质代谢重编程
MRM脂质组学检测到5大类21亚类脂质。层次聚类显示HO暴露的Apoe^–/–组（HO-A）和Apoe^–/–组（A）中多类脂质广泛上调，而对照组和HO组以下调为主。HO-A组中鞘脂（SP）、游离脂肪酸（FFA）、甘油脂（GL）和甘油磷脂（GP）相对丰度显著升高。HO暴露显著增加野生型小鼠中单酰甘油（MAG）和二酰甘油（DAG）丰度，降低PC和溶血磷脂酰胆碱（LPC）。Apoe^–/–组中甘油三酯（TAG）、磷脂酸（PA）和心磷脂（CL）显著降低。脂质结构分析表明，HO暴露和Apoe^–/–均显著降低不饱和脂质（多不饱和脂肪酸PUA）含量，增加饱和脂肪酸（SFA）和单不饱和脂肪酸（MUA）比例。

3.4 HO-A暴露诱导脂质转运失调和炎症蛋白质组反应
无标记蛋白质组学在HO和HO-A组分别鉴定出3267和3481个蛋白，其中176个差异表达蛋白（127个上调，49个下调）。PLS-DA显示两组明显分离。HO-A组中急性期反应物和炎症介质（SAA1、SAA2、APCS、IL-16、MMP9）及白细胞整合素ITGAM显著上调。线粒体蛋白呈现异质性：复合I亚基NDUFB7和烟酰胺核苷酸转氢酶NNT上调，而另一复合I组分NDUFA9及丙酮酸代谢调节因子PDP1下调。脂质稳态相关蛋白中，APOA4、APOB、APOC1升高，APOE和脂滴蛋白PLIN3降低。脂肪酸氧化酶CPT1A及急性期相关蛋白AMBP、ITIH4被诱导。基因本体（GO）富集分析显示差异蛋白主要富集于先天免疫反应、白细胞迁移和急性炎症级联反应。

**讨论与结论**
讨论部分指出，肺不仅是环境暴露的主要靶器官，也是微生物、代谢和免疫过程汇聚决定组织抵抗力的关键界面。HO暴露通过协调改变肺微生物组、代谢、脂质重塑和炎症信号扰动肺稳态，Apoe^–/–显著放大这些反应并加重病理损伤。与以往高浓度O₃研究相比，本研究中微生物改变相对有限，可能反映了较低浓度和短时暴露的影响。代谢组学揭示HO暴露导致酰基肉碱耗竭、二肽积累，提示线粒体能量代谢障碍和谷氨酰循环补偿；Apoe^–/–加剧抗氧化代谢物耗竭和长链酰基肉碱积累，指向氧化应激和脂质过载。脂质组学显示心磷脂（CL）和磷脂酸（PA）减少表明线粒体膜完整性受损，甘油三酯（TAG）降低反映能量限制，而磷脂（PC、PE、PS、PI）升高可能为补偿性膜重塑。不饱和脂质显著减少与氧化损伤和适应性饱和化有关。蛋白质组学揭示急性期蛋白和免疫因子上调、脂质转运蛋白失调（APOE下调、APOB/APOC1上调）及线粒体呼吸链蛋白改变，表明先天免疫激活与脂质稳态紊乱耦合。研究结论翻译如下：综上所述，这些发现描绘了HO暴露下肺中炎症-氧化应激-脂质代谢轴，其中免疫激活与脂质转运改变、不饱和脂质对氧化损伤的易感性增加及线粒体功能障碍相耦合。Apoe^–/–作为该轴的关键放大器，促进组织损伤、代谢失衡和炎症升级。这些发现为环境臭氧污染和热应激的健康影响提供了新见解，突显了脂质代谢在环境毒理学中的关键作用，并可能对理解气候相关空气污染疾病的易感性具有重要意义。