PM2.5（Fine Particulate Matter 2.5），全稱為細顆粒物，是指環境空氣中空氣動力學當量直徑小于或等于2.5微米的顆粒物。長期暴露于高濃度的PM2.5環境中，可能引發或加劇多種呼吸系統疾病和心血管疾病，對神經系統、免疫系統、生殖系統等產生不良影響。
糖尿病是一種以慢性高血糖為特征的代謝性疾病，2022年在柳葉刀子刊Lancet Planetary Health（IF=28.75）中發表的一項研究，使用全球疾病負擔研究（GBD 2019）的數據，預估1990-2019年期間環境PM2.5污染所致的2型糖尿病，結果顯示約五分之一的2型糖尿病負擔可歸因于PM2.5污染。
圖1. 1990-2019年歸因于空氣污染的糖尿病負擔的時間趨勢
本次給大家分享的是Journal of Hazardous Materials期刊中的兩篇精彩案例，也是圍繞PM2.5和糖尿病展開研究的。第一篇是西湖大學鄭鉅圣教授等研究團隊發表的文章，題目為“Mapping multi-omics characteristics related to short-term PM2.5 trajectory and their impact on type 2 diabetes in middle-aged and elderly adults in Southern China”（麥特繪譜提供Q300全定量檢測服務）；第二篇是來自復旦大學徐燕意副教授等研究團隊，題目是“Gut microbiota mediates ambient PM2.5 exposure-induced abnormal glucose metabolism via short-chain fatty acids ”（麥特繪譜提供短鏈脂肪酸定量檢測服務）；這兩篇文章從多個組學技術角度，深入挖掘PM2.5誘導糖尿病發的生物標志物，闡述發病的潛在機制。
【案例一】
文章標題：Mapping multi-omics characteristics related to short-term PM2.5 trajectory and their impact on type 2 diabetes in middle-aged and elderly adults in Southern China
發表期刊：Journal of Hazardous Materials
影響因子：12.2
合作團隊：西湖大學鄭鉅圣教授等研究團隊
發表時間：2024.02
研究背景
大隊列樣本在生物標志物挖掘、疾病預測和流行病學研究中具有不可替代的作用，能夠提供豐富的數據和信息，推動相關領域的研究和發展。本研究結合宏基因組學、蛋白質組學、代謝組學等方法，建立PM2.5短期暴露軌跡與多組學特征之間的聯系，闡述PM2.5相關生物標志物與中國南方成年人中T2D的存在和發病率之間的關系。
研究思路
圖1. 技術路線
研究結論
1. 隊列研究
選取平均年齡在64.4±5.8歲的3267名參與者，平均隨訪時間5.15年。研究廣州地區2014-2020年PM2.5的暴露軌跡特征，發現兩種不同的PM2.5暴露軌跡組（L-PM2.5 VS H-PM2.5），H-PM2.5組的糞便和血清樣本中PM2.5濃度均顯著高于L-PM2.5組。
圖2. 糞便/血清樣本軌跡分組
2. 宏基因組測序
與L-PM2.5組相比，H-PM2.5組與腸道微生態β-多樣性的顯著差異相關。擬桿菌門豐度下降和放線菌門下一個分支豐度增加，此外，多形擬桿菌(Bacteroides thetaiotaomicron)與PM2.5呈反比關系，而長雙歧桿菌(Bifidobacterium long)和Bacteroides dorei在H-PM2.5組中更為豐富。
與7天或1年的累積暴露和一般人口統計學特征相比，7天PM2.5暴露軌跡對細菌β多樣性的影響更大，表明當使用軌跡分組而不是累積暴露計算時，短期暴露研究可以更深入地了解微生物群組成的變化。
圖3. 低濃度和高濃度PM2.5暴露組種微生物組成差異
3. 蛋白質組學
在兩組血清樣本中共鑒定出386種蛋白，其中有17種蛋白存在顯著差異，通過調整協變量，12種蛋白成為PM2.5相關的生物標志物，在H-PM2.5中富集的血清蛋白包括碳酸酐酶1 (CAH1)、肝細胞核因子4- α (HNF4A)、線粒體核糖體蛋白L19 (RM19)、磷酸鹽調節中性內肽酶(PHEX)、補體C1r亞組分樣蛋白(C1RL)、182 kDa端錨聚合酶-1結合蛋白(TB182)和腎上腺皮質發育不良蛋白同源物(ACD)。上述蛋白水平升高與心肌梗死、心肌肥大、T2D、食管鱗狀細胞癌和慢性淋巴細胞白血病的風險增加有關。
圖4. 血清樣本中的差異蛋白
4. 代謝組學（糞便、血清）
糞便樣本中有36種代謝物在兩組中存在顯著差異，其中鳥氨酸、脯氨酸、鼠李糖等8個代謝物被確定為PM2.5相關的生物標志物；血清樣本中有30種代謝物在兩組之間存在顯著差異，其中13種代謝物被確定為與PM2.5相關的生物標志物，分析PM2.5暴露與上述代謝產物的相關性，發現短期暴露在PM2.5環境中可能引起全身生理變化，并對健康產生影響。
進一步對主要代謝物進行富集分析，分別鑒定到3條和8條來自微生物群代謝和微生物群與宿主共同代謝的重要代謝途徑，涉及氨基酸和能量代謝，為PM2.5引起的腸道微生物群紊亂闡明了潛在的代謝機制。
圖5. 糞便和血清樣本中代謝產物差異
5. PM2.5相關多組學生物標志物與T2D的關系
使用受試者工作特征曲線下面積評估PM2.5相關的糞便微生物群和代謝物、血清蛋白和代謝物對T2D的預測能力，綜合預測精度為0.761（0.718−0.803）；Cox比例風險模型對應的C值指數也達到了0.763（0.698−0.827）。
在網絡分析中發現糞便代謝產物鼠李糖和甘氨酸、血清代謝產物馬尿酸和蛋白TB182是關鍵的樞紐節點，且以這些關鍵樞紐節點為中心的子網成員也在預測T2D方面表現出有效的性能。
圖6. 糞便代謝產物鼠李糖和甘氨酸、血清代謝產物馬尿酸和蛋白TB182是關鍵的樞紐節點
研究小結
本研究通過宏基因組學、蛋白質組學和Q300全定量代謝組學技術繪制了腸道微生物群、糞便代謝物和宿主血清中的多組學生物標志物，突出了它們與環境PM2.5暴露軌跡的關系，揭示了受PM2.5短期暴露影響的分子機制，為制定公共衛生干預措施提供重要的參考依據。
【案例二】
文章標題：Gut microbiota mediates ambient PM2.5 exposure-induced abnormal glucose metabolism via short-chain fatty acids
發表期刊：Journal of Hazardous Materials
影響因子：12.2
合作團隊：復旦大學徐燕意副教授研究團隊
發表時間：2024.07
研究背景
腸道微生物群的生態失調促進代謝紊亂的易感性，如葡萄糖耐受不良和胰島素抵抗，此外，腸道菌群所產生的代謝物對宿主生理也起到關鍵的作用。本研究通過宏基因組學、蛋白質組學、短鏈脂肪酸靶向測定等技術，闡述了腸道微生物群在PM2.5暴露誘導的糖代謝異常中起到介導作用，控制腸道微生物群或其代謝物是預防環境PM2.5對健康不利影響的潛在策略。
研究思路
圖1. 技術路線
研究結論
1. 抗生素治療減輕PM2.5引起的葡萄糖耐受不良和胰島素抵抗
將小鼠暴露于CAP（Concentrated Ambient PM2.5，PM2.5濃縮樣本）和FA（Filtered Air，過濾空氣）中，對其使用抗生素，發現小鼠的體重和攝食量急劇下降，并在正常飲食后恢復。暴露在CAP中的小鼠糖耐量明顯受損，并誘導胰島素抵抗，抗生素消耗腸道菌群后，糖代謝異常得到緩解。
圖2. 抗生素治療可緩解PM2.5暴露引起的糖代謝異常
2. 抗生素治療改善PM2.5誘導的胰島素抵抗
進一步探索抗生素治療緩解PM2.5誘導的胰島素抵抗從而導致葡萄糖穩態異常的生物學機制，采用Western Blot方法評估了胰島素敏感組織(包括肝臟、白色脂肪組織(附睪白色脂肪組織和骨骼肌)中Akt和GSK-3β磷酸化水平。Akt和GSK-3β作為廣泛使用的局部胰島素信號傳導指標，PM2.5暴露降低了胰島素誘導的Akt和GSK-3β在肝臟及白色脂肪組織中的磷酸化水平，抗生素治療后明顯改善了PM2.5暴露誘導的Akt磷酸化水平的下調。
圖3. 抗生素治療可改善PM2.5暴露引起的脂肪胰島素抵抗
3. 糞菌移植（FMT）重塑受體小鼠糖代謝異常
采用糞菌移植實驗將暴露于FA/CAP的小鼠糞便菌群移植到年齡匹配的抗生素治療受體小鼠，發現受體小鼠的體重和攝入量沒有變化，R-CAP組小鼠誘導了葡萄糖耐受不良和胰島素抵抗，重塑了脂肪Akt和GSK-3β的磷酸化水平。
圖4. CAP暴露小鼠的糞便微生物群移植重塑了受體小鼠的糖代謝異常
4. 腸道微生物群組成變化
利用宏基因組進一步分析受體小鼠腸道細菌群落的相對豐度，分別鑒定出R-FA和R-CAP小鼠在FMT后1周和5周時有3個和57個差異細菌分類群，而在FMT后1周和5周的絕對豐度分析中，分別鑒定出6個和84個差異細菌分類群。其中，R-CAP組在FMT后1周Roseburia屬的相對豐度和絕對豐度都有所下降。
圖5. 糞菌移植小鼠腸道微生物群組成變化
5. 菌群代謝產物變化
短鏈脂肪酸靶向測定結果顯示CAP小鼠體內乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽等多種SCFAs（短鏈脂肪酸）的水平降低，而抗生素治療導致的腸道微生物群消耗減輕了這些SCFAs的下降。FMT后5周的受體小鼠SCFAs水平沒有受到影響，與R-FA小鼠相比，R-CAP小鼠中乙酸顯著減少，戊二酸顯著增加。
圖6. 糞便微生物群移植改變了受體小鼠血清SCFAs水平
6. 補充乙酸鈉可改善PM2.5暴露引起的糖代謝異常
乙酸鈉處理可顯著改善PM2.5暴露誘導的葡萄糖耐受不良和胰島素抵抗，減輕了胰島素誘導的脂肪組織中Akt和GSK-3β磷酸化水平的下降。
圖7. 補充乙酸鈉可改善PM2.5暴露小鼠的糖代謝異常
研究小結
腸道菌群可能通過減少短鏈脂肪酸(尤其是乙酸)介導環境PM2.5暴露引起的葡萄糖穩態異常，為通過靶向腸道菌群和其代謝物來預防環境PM2.5對健康的不良影響開辟了新的研究途徑。
參考文獻
1. Estimates, trends, and drivers of the global burden of type 2 diabetes attributable to PM2·5 air pollution, 1990-2019: an analysis of data from the Global Burden of Disease Study 2019. Lancet Planet Health. 2022 Jul;6(7):e586-e600.
2. Wang JT, Hu W, Xue Z, et al. Mapping multi-omics characteristics related to short-term PM2.5 trajectory and their impact on type 2 diabetes in middle-aged and elderly adults in Southern China. J Hazard Mater. 2024;468:133784.
3. Shao W, Pan B, Li Z, et al. Gut microbiota mediates ambient PM2.5 exposure-induced abnormal glucose metabolism via short-chain fatty acids. J Hazard Mater. 2024;476:135096.
繪譜幫你測
上述研究中使用宏基因組學、蛋白質組學、靶向代謝組學等技術，揭示了PM2.5誘導糖尿病發的潛在機制，結合大隊列樣本數據，挖掘生物標志物。麥特繪譜開創性地搭建了醫學領域高端代謝組學技術平臺，覆蓋了非靶向-全定量-代謝流等全方位的高端醫學代謝組解決方案，同時全面布局微生物組學、轉錄組學和蛋白質組學等多組學技術服務，已成為全球多組學研究者的優選合作伙伴。麥特繪譜擁有Q1000，Q500、Q300、Q200和膽汁酸、短鏈脂肪酸、色氨酸及吲哚衍生物、多胺和TMAO類等各類小分子代謝物、非靶向代謝組學和同位素示蹤代謝流技術等共40+系列檢測方法；已為數百家三甲醫院、科研院所和企業提供多組學解決方案，協助客戶與合作伙伴發表SCI文章400+篇，累計影響因子4000+，平均IF＞10，包括Cell, Nature, Science, Cell Metabolism, Immunity, Gut, Hepatology, Microbiome等頂級期刊。
END