柴油尾气暴露后肺部和血液的一致性转录组学分析：一项随机对照人体暴露研究

《Environmental Research》：Concordant transcriptomics analysis of the lungs and blood after exposure to diesel exhaust: A randomized, controlled human exposure study

　　

摘要

交通相关空气污染（TRAP）暴露与不良健康影响相关，包括慢性炎症和呼吸系统疾病的加重。尽管 TRAP 暴露的影响最初局限于肺部，但它们可以通过血液在整个身体内系统性传播。为了了解 TRAP 暴露下的血液 - 肺部动态，我们检测了血液和气道基因表达，并进行了一致性分析。具体而言，我们调查了吸入柴油尾气（DE）（TRAP 的实验模型）后血液和气道上皮的转录组反应，涉及来自混合人群的三十二名研究参与者。在这项双盲、交叉、对照的人体暴露研究中，参与者在两个不同的场合分别暴露于 DE 和过滤空气 2 小时。对血液和支气管刷检样本进行了双端 RNA 测序。差异基因表达分析揭示了气道中的显著基因（FDR < 10%），包括抗氧化防御必需基因 GPX2 和 NQO1 的上调。使用人类分子特征数据库（MSigDB）将差异表达基因（DEGs）映射到标志性通路和细胞类型。在血液和气道上皮中，活动改变的通路包括干扰素 alpha (IFN-α) 反应、干扰素 gamma (IFN-γ) 反应、炎症反应和活性氧（ROS）。一致性分析突出了血液和气道之间相关的表达模式，为 DE 暴露后潜在的血液 - 肺部关系提供了探索性证据，这在独立分析中是无法检测到的。结合局部和系统性数据可能会丰富我们对 DE 暴露所影响的下游生物通路的理解，为通过血液分析监测肺部反应开辟了新途径。

引言

随着全球城市化的升级和快速发展，交通相关空气污染（TRAP）的患病率将继续引起越来越多的关注，需要新的方法来应对对人类健康的长期后果。柴油尾气（DE）是 TRAP 的一种形式，由颗粒物（PM）和气体组成，包括二氧化氮和一氧化碳（Long 等，2022）。研究已将 DE 暴露与呼吸系统疾病的发展联系起来，如慢性阻塞性肺病（COPD）、哮喘和肺癌（Long 等，2022; Bronte-Moreno 等，2023; Silverman, 2017）。对照人体暴露研究和 体外 暴露实验表明，对 TRAP 暴露的反应在转录组和蛋白质组水平上关键炎症介质的水平升高（Behndig 等，2006; Pope 等，2016; Marín-Palma, 2023; Huff 等，2025）。此外，暴露效应不仅限于肺部的局部水平，而是系统性地出现在血液中，循环炎症标志物证明了这一点（Pope 等，2016; Thangavel 等，2022）。然而，DE 颗粒诱导全身性炎症的生物学机制，以及基于肺部的变化与循环中的变化之间的关系仍然知之甚少（Pope 等，2016; Rude? 等，2009; Lanki 等，2015）。

在该知识缺口的背景下，下一代测序技术应运而生，在过去十年中，研究人员利用 RNA 测序（RNA-seq）和微阵列作为探索性工具，以确定污染暴露的肺和血液样本中的差异表达基因（DEGs）（Marín-Palma, 2023; Vlaanderen 等，2022; Zhou 等，2015）。但迄今为止，大多数研究都独立分析血液和肺样本，而未考虑空气污染局部和系统性反应之间的相互作用。

在另一种背景下克服这一挑战的一项显著努力是以 COVID-19 为模型，Daamen 等人对外周血单个核细胞、死后肺组织和支气管肺泡灌洗进行了转录组分析，分别代表血液、肺部和气道（Daamen 等，2021）。作者验证了由 DEGs 标记的局部、区室化变化，同时提升他们的分析以提出一个系统性模型，其中来自气道的炎症介质诱导血液中活化的单核细胞和巨噬细胞免疫浸润。基于这些原因，将比较多种组学数据集作为系统生物学方法一部分的方法可以使我们同时捕捉到在系统性效应背景下为新信息做出贡献的变化。因此，使用整合组学对空气污染效应下的血液 - 肺部关系进行稳健考察，是改善人类健康的一个充满希望的研究途径。

因此，我们利用来自外周血和支气管刷检样本的转录组数据，作为对照人体暴露研究的一部分，以探索对 DE 暴露响应的血液 - 肺部关系。独立对血液和刷检样本进行了差异基因表达分析和功能富集，以初步了解发生改变的潜在基因和通路。我们的研究证实了先前的发现，即急性空气污染暴露会导致肺部和血液中的氧化应激和炎症发生变化。然后我们进行了一致性分析，比较两个器官细胞类型之间的细胞表达模式，暗示了新的血液 - 肺部相互作用，加深了我们对空气污染对人体健康影响的理解。

章节片段

对照人体柴油尾气暴露

所有参与者均提供了知情同意。对照暴露研究发生在 2015 年 1 月至 2019 年 5 月之间（ClinicalTrial.gov ID: NCT02236039），经不列颠哥伦比亚大学临床研究伦理委员会批准（H14-00821）。暴露发生在加拿大温哥华的空气污染暴露实验室（APEL; pollutionlab.com），使用先前描述过的设施和方案（Ryu 等，2022; 全文）。每位参与者在分开的时间暴露 2 小时

RNA-seq 数据支持过滤空气和柴油尾气条件下免疫细胞比例的稳定

为了确认观察到的实验条件之间的变化归因于转录组差异而非细胞群体差异，使用了一种利用支持向量回归机器学习算法的既定反卷积方法 CIBERSORTx，用于从全血和支气管刷检的 RNA-seq 数据中枚举相对免疫细胞比例（表 S1–2）。基线和暴露后 24 小时收集的样本的血常规数据也可用于

讨论

先前的研究表明，暴露于空气污染物通常会引发肺部氧化应激并促进全身性炎症。由于气道和肺是抵抗吸入污染物的主要界面，细胞内诱生了内源性 ROS 产生，导致氧化损伤，通过宿主抗氧化酶的产生得以缓解（Ngo and Duennwald, 2022; Gangwar 等，2020; Huff 等，2019）。相比之下，暴露于空气污染者的血液反应已

结论

转录组分析和功能富集显示，空气污染暴露诱导了抗氧化基因的表达，表明在常驻肺细胞中诱导了局部氧化应激反应。尽管缺乏显著 DEGs，但在血液中检测到了显著的炎症通路活动，表明 DE 暴露后存在系统性改变。与干扰素反应和上皮可塑性相关的基因减少了，可能削弱先天防御并

CRediT 作者贡献声明

Michael Yoon：写作 – 原稿，可视化，方法学，形式分析，数据管理。Min Hyung Ryu：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，监督，项目管理，形式分析，数据管理，概念化。Christopher F. Rider：写作 – 审阅与编辑，监督，方法学。Ryan Huff：写作 – 审阅与编辑。Amrit Singh：写作 – 审阅与编辑，验证，监督，方法学。Christopher Carlsten：写作 – 审阅与

伦理合规

所有程序均按照不列颠哥伦比亚大学临床研究伦理委员会的批准（H14-00821）进行，并遵守世界医学协会《赫尔辛基宣言》及其后续修正案。

研究资金支持

本项目由加拿大呼吸病研究网络和 CIHR Catalyst 拨款资助：个性化健康 Catalyst 拨款（PCG-155553）。MHR 由加拿大呼吸病研究网络提供的研究培训员奖、WorkSafe BC 研究培训奖（RS2016-TG08）以及NSERC Alexander Graham Bell 奖学金（CGS-D）支持。CR 由温哥华海岸健康研究所 - 呼吸、心脏和危重症中心的资助支持

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Chris Carlsten 报告称获得了加拿大卫生研究院和加拿大呼吸病研究网络的财务支持。如果有其他作者，他们声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢

作者感谢所有志愿参与我们研究的人员；没有你们，这项研究将无法实现。我们感谢温哥华总医院呼吸门诊单位和支气管镜室成员提供的帮助。我们还希望感谢为我们团队运行 COPA 研究做出贡献的成员，包括 Agnes C. Y. Yuen, Andrew Lee, Carley Schwartz, Denise J. Wooding, Don Sin, Hang Li, Janice Leung, Jasjit Singh Mankoo，

Michael Yoon|Min Hyung Ryu|Christopher F. Rider|Ryan Huff|Amrit Singh|Christopher Carlsten

空气污染暴露实验室，加拿大呼吸医学部