《Environment International》：Prenatal urinary phenanthrene metabolites associated with fetal growth restriction: a nested case-control study with integrated computational toxicology
编辑推荐：
摘要翻译：
•首项将母体多环芳烃（PAH）代谢物与胎儿生长受限（FGR）风险相关联的研究。
•特定菲代谢物（1+9-羟基菲，9-氨基菲）与FGR风险相关。
•网络毒理学和分子对接识别出胎盘靶点和通路。
•孕早期尿液代谢物识别出PAH组分特异性FGR风险。
•
摘要翻译：
•首项将母体多环芳烃（PAH）代谢物与胎儿生长受限（FGR）风险相关联的研究。
•特定菲代谢物（1+9-羟基菲，9-氨基菲）与FGR风险相关。
•网络毒理学和分子对接识别出胎盘靶点和通路。
•孕早期尿液代谢物识别出PAH组分特异性FGR风险。
•研究结果支持产前PAH暴露的组分特异性风险评估。
研究人员在一项巢式病例对照研究中，整合了生物监测、计算毒理学分析和体外实验验证。研究人员在一项前瞻性出生队列中开展巢式病例对照研究，利用内暴露剂量学评估母体尿液PAH代谢物与FGR风险的关联。研究人员进一步应用网络毒理学和分子对接识别潜在核心分子靶点和受扰动的生物学通路，并在人滋养层细胞中进行体外验证，评估关键候选靶点的转录响应。据研究人员所知，这是首项将母体尿液PAH代谢物与临床定义的FGR相关联，并整合计算毒理学与实验验证以提供机制见解的研究。
论文解读文章
**研究背景与问题**
胎儿生长受限（Fetal Growth Restriction, FGR）是指胎儿未能达到其遗传决定的生长潜能，是导致死产、新生儿死亡及远期神经发育、心血管和代谢疾病风险增加的重要妊娠并发症。FGR病因复杂，常涉及胎盘功能不全、母体状况及胎儿遗传异常，多数决定因素在诊断后难以干预，因此识别可预防的环境风险因素具有重要的公共卫生意义。多环芳烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons, PAHs）是化石燃料、生物质和交通排放不完全燃烧产生的 ubiquitous 环境污染物，可穿过胎盘屏障，体外和体内研究提示其可能干扰胎盘发育关键过程，如滋养层功能和营养转运、血管化相关信号通路。然而，直接关联内暴露PAH水平与临床定义FGR的流行病学证据仍然有限。以往研究多依赖环境或个体空气监测评估外暴露，难以反映个体内剂量差异；而采用尿液PAH生物标志物的研究主要关注出生体重或小于胎龄儿，未充分探讨与临床FGR的关联及潜在分子机制。此外，传统毒理学模型资源密集且难以捕捉人类胎盘病理中复杂的多通路扰动，计算系统毒理学方法如网络分析和分子对接，可系统优先排序潜在分子靶点和受扰动的生物学通路，为环境暴露与复杂疾病关联提供可检验的机制假说。
**研究设计与方法**
该研究在2017年1月至2020年9月于中国广州一所大学附属医院建立的前瞻性出生队列中开展巢式病例对照研究，共纳入3397名孕早期孕妇，最终分析样本包括100例FGR病例和194例匹配对照。FGR依据标准化超声标准诊断（估计胎儿体重或腹围低于胎龄第10百分位），对照组按母亲年龄（±5岁）和孕前体质指数（BMI）分层匹配，比例为1:2（94组）或1:1（6组）。研究人员采用高效液相色谱-串联质谱法（HPLC-MS/MS）定量检测孕早期尿液样本中12种羟基化和氨基化PAH代谢物，包括萘、芴、菲和芘的代谢产物，以肌酐校正浓度。运用条件逻辑回归模型评估代谢物浓度与FGR风险的关联，并调整多项潜在混杂因素。随后采用随机森林（Random Forest, RF）和加权分位数和（Weighted Quantile Sum, WQS）两种机器学习模型筛选关键代谢物。对筛选出的菲代谢物，整合比较毒物基因组学数据库（CTD）、SwissTargetPrediction和SuperPred数据库预测其分子靶点，与GeneCards数据库获取的FGR相关基因取交集，构建蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络，通过六种拓扑算法（Degree、Betweenness、Closeness、MNC、MCC、EPC）识别核心枢纽基因，并进行基因本体（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析。利用AutoDock Vina进行分子对接预测代谢物与枢纽蛋白的结合亲和力。最后，在人早孕期绒毛外滋养层细胞系HTR-8/SVneo中进行体外实验，通过CCK-8法评估细胞活力，并采用实时定量PCR（qRT-PCR）检测枢纽基因的转录表达变化。
**研究结果**
*3.1 研究人群特征*：病例组和对照组在匹配因素（母亲年龄、孕前BMI）上均衡，但FGR病例的孕期增重显著较低（11.6±3.1 kg vs. 12.9±3.8 kg, P<0.001），且近一年内房屋装修比例更高（15.0% vs. 6.7%, P=0.037），病例组新生儿出生体重显著低于对照组（P<0.001）。
*3.2 尿液PAH代谢物分布*：所有12种目标代谢物检出率均超过99%，萘代谢物（1-OH-Nap和2-OH-Nap）占尿液PAH总负荷约60%。与对照组相比，FGR病例的1+9-OH-Phe（共洗脱的1-和9-羟基菲之和）和9-A-Phe浓度显著升高（均P<0.001），而1-OH-Pyr和2-OH-Flu在病例组中较低（P<0.05）。各代谢物间呈弱至中度正相关（r=0.03–0.59）。
*3.3 单代谢物与FGR风险关联*：调整混杂因素后，每自然对数单位增加的1+9-OH-Phe浓度与FGR风险升高60%相关（调整后OR=1.60, 95%CI: 1.15–2.23），9-A-Phe与风险升高37%相关（调整后OR=1.37, 95%CI: 1.03–1.82）。其他代谢物及总和指标均无显著关联。敏感性分析限制于严格1:2匹配集时结果一致（1+9-OH-Phe: OR=1.58, 95%CI: 1.14–2.20；9-A-Phe: OR=1.38, 95%CI: 1.03–1.84）。
*3.4 机器学习筛选*：RF和WQS模型均将9-A-Phe和1+9-OH-Phe列为FGR风险贡献的前两位，验证了关联的特异性。
*3.5 网络毒理学和分子对接*：对三种菲代谢物（1-OH-Phe、9-OH-Phe、9-A-Phe）进行整合分析，共获得172个共同候选靶点（菲相关靶点189个与FGR相关靶点9688个的交集）。PPI网络分析结合六种拓扑算法，确定六个共识枢纽基因：STAT3、NFKB1、EGFR、PPARG、ESR1和PTGS2。GO富集显示生物过程主要涉及外源物应答和炎症应答，细胞组分主要为质膜和细胞质，分子功能以蛋白激酶活性和激酶活性为主。KEGG通路分析排除广泛肿瘤相关条目后，富集于化学致癌-活性氧通路、TNF信号通路、MAPK信号通路和钙信号通路。分子对接预测三种代谢物与六个枢纽蛋白的结合能范围为?5.8至?8.0 kcal/mol，支持直接分子相互作用的可能性。独立分析显示，1-OH-Phe另有额外枢纽靶点KDR、FYN和ABL1，9-OH-Phe有独特靶点ICAM1，9-A-Phe无额外独特靶点但通路富集显示血清素能突触和趋化因子信号通路特征。
*3.6 体外转录验证*：qRT-PCR结果显示，与溶剂对照相比，低和高剂量1-OH-Phe暴露以及高剂量9-OH-Phe暴露均显著下调EGFR表达，而9-A-Phe在低和高浓度下均显著上调PTGS2表达，STAT3和NFKB1无显著变化。
**讨论与结论**
研究首次将母体尿液PAH代谢物与临床定义FGR风险关联起来，并整合计算毒理学提供机制见解。研究发现特定菲代谢物（1+9-OH-Phe和9-A-Phe）与FGR风险显著相关，而常用PAH暴露代理指标1-OH-Pyr无关联，提示PAH发育毒性存在组分特异性模式。机制层面，网络毒理学和分子对接识别出六个核心蛋白靶点和四条关键通路（氧化应激、炎症、MAPK和钙信号），体外实验证实羟基化菲代谢物下调EGFR、氨基化菲代谢物上调PTGS2，建立了母体暴露与滋养层转录变化之间的功能联系。EGFR下调可能损害滋养层增殖、分化和血管生成，而PTGS2上调可能干扰前列腺素介导的植入和胎盘血管发育，两者共同加剧氧化-炎症应激循环，导致胎盘功能不全和FGR。研究采用孕早期单次尿液样本评估暴露，虽可能无法完全反映长期累积暴露，但孕早期是胎盘发育的关键窗口，且非差异性错分倾向于使关联趋向零值，检测到显著关联反而支持结果的稳健性。分析中1-OH-Phe和9-OH-Phe因色谱共洗脱而合并量化，无法在人群层面区分两者独立效应，但体外实验已分别验证。计算毒理学分析主要作为假说生成工具，仍需直接靶点结合实验和功能实验验证。研究结论认为，孕早期尿液特定菲代谢物升高显著增加FGR风险，可能通过干扰核心蛋白网络（STAT3、NFKB1、EGFR、PPARG、ESR1、PTGS2）及氧化应激、炎症和细胞稳态相关信号通路实现。该研究提供了基于生物标志物的新证据，支持产前PAH暴露评估采取组分特异性策略，并为未来减轻环境危害对胎儿发育影响的研究和策略提供了可检验的机制见解。研究发表于《Environment International》。
