基于色谱-质谱联用的暴露组学分析方法和研究范式的新进展

人类疾病的发生、发展受环境因素和遗传因素的共同影响,仅从遗传基因角度开展研究,不能有效地揭示疾病的发生机制,因而近年来环境因素对疾病发生、发展的影响受到了学界的广泛关注。暴露组学关注个体一生中所有暴露因素的测量,以及这些暴露因素与疾病建立联系的机制,为推动人类健康与环境因素之间的关系研究提供了新思路。由于外源性化学物质具有数量众多、理化性质各异、在体内含量极低等特性,对其进行测量会面临诸多挑战。基于色谱-质谱联用的暴露组分析技术兼具色谱的高效分离能力和质谱的高分辨率、高灵敏度特性,可以实现暴露组的高覆盖、高通量、高灵敏度检测,已成为暴露组学研究的主要分析技术。基于色谱-质谱联用的暴露组学分析方法主要包括靶向定量分析、可疑物筛查和非靶向筛查。除此之外,为了探究环境暴露与疾病发生、发展的关系,研究者发展了包括暴露组关联研究、混合暴露研究以及暴露组学与多组学(基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学)关联研究等的多种研究范式,这些方法的出现为暴露组学研究带来了空前的发展前景。本文综述了基于色谱-质谱联用技术的暴露组学分析方法和暴露组学研究范式,并对暴露组学的未来发展进行了展望。

多组学质谱分析技术在化学暴露组研究中的应用

暴露组定义为从受孕开始人类环境(即所有非遗传)暴露的总和,旨在全面了解人类健康与环境化学品暴露之间的关联。因此,对暴露组的全面测量至关重要,包括准确可靠地测量外部环境中的暴露及内部环境中的生物反应。化学暴露组既包括个体受外源性化学物质暴露的总和(外暴露),也包括因外部压力而产生或改变的内源性化学物质暴露的总和(内暴露)。随着新一代高通量、高分辨质谱技术的发展,以质谱分析驱动的多组学研究技术将为暴露组内、外源污染物的鉴定分析带来新的范式。本文主要综述了化学暴露组学的研究策略及现有的化学暴露测量方法,重点介绍了代谢组学、蛋白质组学以及基于质谱成像的空间组学技术在化学暴露组研究中的应用现状及未来发展前景。当前,质谱技术因其灵敏度高、特异性强和动态范围宽的优势已成为检测外暴露的主要方法,基于低分辨质谱的针对性分析以及基于高分辨质谱的可疑筛查和未知筛查技术已广泛应用于测量人类对各种化学品的暴露。此外,代谢组学、蛋白质组学和基于质谱成像的空间组学技术作为内暴露的有效检测方法,在预测潜在的不良健康结果和揭示内在分子机制中发挥了重要的作用。同时我们讨论了本课题组在化学暴露组学领域所取得的研究进展,并提出了实现化学暴露组测量所面临的主要挑战。

“环境暴露组学与生命健康专辑”引言

随着工农业的快速发展和生活水平的日益提高,环境污染问题及对人类生命健康的影响越来越受到关注。为了更好地回答“环境和人体中存在哪些污染物,这些‘暴露’因素如何影响健康”等一系列科学问题,暴露组学(exposomics)应运而生。暴露组学关注个体一生所有暴露的测量及这些暴露如何与疾病建立联系,代谢组学(metabolomics)可从代谢水平阐明暴露对健康的影响,发现疾病风险因子和疾病标志物,二者结合促进了以组学为手段的暴露-疾病关系的研究,能很好地探讨污染暴露、生命健康和疾病发生的内在本质。

基于暴露组-脂质组关联研究的代谢相关脂肪性肝病血清中外源性化学物质的风险分析

代谢相关脂肪性肝病是当前常见的一种肝脏疾病,在世界范围内的患病率高达25%,严重危害人类健康并对社会造成巨大的经济负担。越来越多的研究表明慢性非传染性疾病的发生是环境暴露与遗传因素共同作用的结果,环境污染是其不可小觑的健康风险因素。为了探究环境暴露对代谢相关脂肪性肝病风险及暴露效应,本研究利用超高效液相色谱-串联质谱(UHPLC-MS/MS)的靶向暴露组学和超高效液相色谱-高分辨质谱(UHPLC-HRMS)的非靶向脂质组学技术分别分析了代谢相关脂肪性肝病患者血清中外源性化学物质的暴露特征和内源性脂质代谢物的扰动,结合暴露组-脂质组关联分析,在脂代谢水平上探究环境暴露引起的代谢相关脂肪性肝病的风险及暴露效应。研究发现,代谢相关脂肪性肝病患者体内外源性化学物质与代谢相关脂肪性肝病的风险增加有关,其中氟虫腈砜(fipronil sulphone)、马拉硫磷二羧酸(malathion dicarboxylic acid)和邻苯二甲酸单环己酯(monocyclohexyl phthalate)与单纯性脂肪肝风险呈正相关,氟虫腈砜(fipronil sulphone)、安赛蜜(acesulfame potassium)、全氟辛酸(PFOA)、全氟壬酸(PFNA)、全氟十一酸(PFUnDA)和4-羟基二苯甲酮(4-hydroxybenzophenone)以及3,5-二叔丁基-4-羟基苯甲酸(DBPOB)与合并代谢性疾病的脂肪肝风险呈正相关。单纯性脂肪肝患者和合并代谢性疾病的脂肪肝患者的脂代谢发生了显著的改变,神经酰胺(Cer)、甘油三酯(TG)和甘油二酯(DG)显著升高,这些DG和TG的酰基碳数分别为32~40和35~60,且两者均表现为多不饱和的脂质分子的变化为主。大多数的脂质效应标志物与外源性化学物质残留呈正相关,并与疾病风险增加有关。本研究可以为环境化学物质暴露与代谢相关脂肪性肝病的关联与机制研究提供科学依据。

暴露组学在识别环境污染物及其健康危害中的应用进展

目前,全球范围内的环境污染成为困扰各国的突出问题,环境污染导致的健康危害已引起世界各国的广泛关注,但揭示繁杂的污染物暴露与相关疾病的关系仍是一个科学难题。暴露组学概念的提出为推动环境因素与人类健康之间关系的研究提供了新思路。“自上而下”和“自下而上”的研究策略、执行研究策略所使用的检测手段以及“组学”的研究共同促进了暴露组学的发展。暴露组学关注个体一生中所有暴露的测量,旨在通过传统生物监测和现代组学方法对体内外暴露水平进行动态监测,考察与所有环境暴露相关的标志物以及与疾病相关标志物之间的相关性,从而得到全面可靠的环境与疾病风险的关系。与传统环境健康研究相比,暴露组学研究更能真实体现现实环境中污染物、自然因素及生活方式等暴露因素的多样性,以及污染物的体内过程和所触发的机体反应的复杂性。高分辨质谱技术等强大的化学分析手段被广泛应用于暴露组学的相关领域研究中,本文简单举例介绍了色谱-质谱联用技术在环境污染物检测和分析中的应用,其中蛋白质组学和代谢组学作为生物标志物鉴定和污染物效应分析的两个重要手段,在探究环境与疾病的联系中具有重要意义,并得到广泛的应用。进入机体的污染物,可与机体(尤其是与生物大分子中的蛋白质)发生复杂的相互作用,导致病理改变和毒性效应;在混合暴露的情况下,污染物间也会存在相互作用,影响各自的环境行为或进入人体的量,进而影响其健康效应。

人脑影像表型的基因组与暴露组广度关联研究

脑影像技术可以精确刻画人脑结构与功能,其个体变异决定了人类认知功能及神经精神疾病易感性的个体差异。人脑结构与功能的个体差异与遗传变异、环境暴露、遗传-遗传交互作用、环境-环境交互作用及遗传-环境交互作用有关,需要从整个基因组和暴露组广度进行系统研究。重点讨论基因组广度关联研究、暴露组广度关联研究、基因组广度遗传-遗传交互作用研究、暴露组广度环境-环境交互作用研究及基因组-暴露组广度遗传-环境交互作用研究在揭示人脑结构与功能个体差异成因中的潜在价值及其面临的挑战。

基于全暴露组关联分析技术的环境健康研究进展

暴露组是整个生命周期中历经的所有暴露.为了更好地评估暴露组-疾病的关联,参照全基因组关联研究的概念(GWAS),提出了全暴露组关联分析(EWAS).全暴露组关联分析是一种数据驱动的探索性研究方法,可用于发现与某些复杂疾病相关联的环境因素.文章搜索并纳入了当前的全暴露组关联分析文章,从研究对象、暴露变量、流行病学结局和统计分析几个方面总结了文章的研究方法,综述了目前的研究进展,提炼研究的特点和当前局限,并对其未来做出展望.

外暴露组与呼吸道、皮肤过敏性疾病

变态反应是由多种遗传和环境因素相互作用导致的复杂疾病。然而,过去几十年间变态反应发生率的增加是由同期的环境变化所致。目前,研究者认为变态反应性疾病的发生、发展和恶化都可通过暴露组学加以解释,即从妊娠开始个体所接受的特异性和非特异性外部环境的暴露总量(外暴露组)及其对器官和细胞水平的影响(内暴露组)。在研究最深入的外暴露环境因素中,室内和室外空气变应原和空气污染物在变应原的炎性反应发病机制和变态反应性疾病的临床表现中发挥关键作用。气候变化、城市化和生物多样性的丧失会对主要的空气变应原和空气污染物的来源、排放和浓度造成影响,这将是现今和未来数十年变态反应患者的健康和生活质量所面临的最严峻的挑战之一。雷暴相关性哮喘是一个由多种环境因素作用引起的变态反应的生动例子,也可作为了解呼吸道过敏发病机制的体内模型。环境或生活方式引起的肠道和皮肤微生物组异常是变态反应性疾病的关键介质。更好地了解外暴露组对变态反应发展的影响对于敦促患者、卫生专业人员和政策制定者采取行动以减轻环境变化的影响,并适应环境变化具有重要意义。

暴露组与痤疮

痤疮是一种好发于青少年的慢性毛囊皮脂腺炎症性皮肤病。痤疮往往与遗传背景相关,而其严重程度、病程及治疗效果也受各种外界因素影响。这些外界因素常用"暴露组(exposome)"一词表示,痤疮相关暴露组包括饮食、季节与气候、空气污染物、职业相关因素、药物及心理和生活方式等相关因素。

暴露组与暴露组学

人类复杂疾病主要是由环境因素或者环境与遗传因素相互作用所致。自人类基因组计划开展以来，有关遗传因素与复杂疾病发病关系的研究进展非常迅速，相比之下，环境暴露与复杂疾病关系的研究却没有得到应有的重视和发展。暴露组与暴露组学的提出，为推动环境因素与人类健康之间关系的研究提供了新思路。

苯并[a]芘和慢性压力应激暴露对小鼠肝脏代谢的影响

环境污染和慢性压力是影响人类健康的两大类常见风险因子,本研究通过表征苯[a]并芘(benzo[a]pyrene,B[a]P)与慢性压力应激(chronic unpredictable mild stimulation,CUMS刺激)暴露对小鼠肝脏代谢的影响,并探讨了同时暴露时两大风险因子之间潜在的相互作用.采用靶向代谢组学结合多元统计学方法分析了两个剂量B[a]P(2.0 mg·kg^(-1)·d^(-1)和20.0 mg·kg^(-1)·d^(-1))与CUMS刺激单独或联合暴露21 d后,雄性C57BL/6J小鼠肝脏中氨基酸代谢、TCA循环和胆汁酸代谢的变化.研究发现,2.0 mg·kg^(-1)·d^(-1)B[a]P可使小鼠肝脏中精氨琥珀酸、精氨酸和丙氨酸显著升高,谷氨酰胺显著降低;20.0 mg·kg^(-1)·d^(-1)B[a]P则主要导致丙氨酸显著上升,谷氨酰胺下降.慢性压力应激使小鼠肝脏同型半胱氨酸的含量显著下降. B[a]P与慢性压力应激同时暴露时,小鼠肝脏氨基酸和胆汁酸代谢会发生显著变化.进一步采用代谢扰乱度(metabolic effect level index,MELI)评估了两个风险因子的联合作用效果,发现2.0 mg·kg^(-1)·d^(-1)B[a]P和慢性压力应激同时暴露对小鼠氨基酸代谢、TCA循环和胆汁酸代谢的影响分别为拮抗、协同和加和作用;而20 mg·kg^(-1)·d^(-1) B[a]P和慢性压力应激同时暴露的小鼠氨基酸代谢和胆汁酸代谢的影响均为加和作用,TCA循环为拮抗作用.结果表明,不同剂量的B[a]P和CUMS暴露造成小鼠肝脏氨基酸代谢和胆汁酸代谢紊乱,差异的代谢物与两者单独暴露时明显不同,且代谢的变化与B[a]P暴露剂量密切相关.

基于多组学的肿瘤病因学研究:从基因组学、暴露组学、代谢组学到系统流行病学

探索疾病病因是流行病学的主要任务之一。随着基因组、转录组、蛋白质组、代谢组、暴露组等组学技术的进步,肿瘤病因学研究进入系统流行病学研究阶段。基因组学研究致力于发掘肿瘤遗传易感位点及其致病机制。暴露组学研究探索环境因素对机体生物学过程的影响及其致病效应。而代谢组处于生物调控网络的下游,反映了基因-环境及其交互作用的总效应,有助于阐明遗传和环境因素的致病机制,发现新的生物标志物。本文介绍基因组学、暴露组学和代谢组学在肿瘤病因学研究中的应用与进展,总结多组学和系统流行病学在肿瘤病因学研究中的意义和价值,展望未来发展方向。

暴露组学的概念与应用

暴露组学作为基因组学的补充是指从妊娠开始贯穿整个人生的环境暴露(包括生活方式因素)。暴露源包括外源(污染、辐射、饮食等)和内源(炎症、感染、微生物等)。继全基因组关联研究(GWAS)之后发展的全暴露组关联研究(EWAS)的目的是对在未知方式下暴露的评估。EWAS方法通过比较患者和健康受试者暴露组的分析结果,确定有效的生物标志物,进而利用这些生物标志物来阐明暴露-效应关系(生化流行病学)、暴露和人体动力学来源(暴露生物学),以及作用机制(系统生物学)。"自下而上"和"自上而下"的方法在识别个体暴露上都具有科学价值。"自上而下"法用于揭示人类疾病的未知暴露源,而"自下而上"法是用于分析外暴露以及建立干预与预防的方法。生物标志物不仅可以用于研究外暴露,也可以用于研究内暴露。内暴露组学采用组学的方法进行研究,如基因组学、蛋白质组学、表观基因组学、代谢组学、转录组学、加合物组学等。人类生命早期暴露组学(HELIX)项目是近期启动的描述欧洲人群的早期暴露以及揭示组学标志物和儿童时期健康关系的第一次尝试。该文介绍了其研究方法、工具、思路及其重要意义,同时总结了暴露组学从概念到应用可能面临的挑战。

生物监测在暴露组评价中的应用

生物监测通过观察体内生物学信息改变，提供内暴露的生物表征和个体暴露信息，应用暴露标志物来评价内暴露和环境外暴露，是评价暴露-疾病风险的关键工具。随着高通量、广谱、高效的甄别检测技术的发展，生物监测可以分为传统生物监测（有目标的监测）和非目标性的监测分析（暴露组）。暴露组生物监测方法旨在识别对健康和疾病有影响的所有潜在暴露指征，但其生物样品的可及性和质量，以及对新物质特别是非持久性化学物质的识别与监测，乃至如何综合运用统计学处理暴露组复杂的数据集仍面临巨大挑战。结合新兴技术、无目标性的生物监测方法与传统的生物监测技术，结合生物信息学，发展低丰度化学物质的检测方法，提高内源性分子与外源性分子的区分能力，实现内暴露广泛的识别及健康结局的表征，最终在新环境暴露组模式下，提高疾病的精准预防和干预。

食品中化学危害暴露组与毒理学测试新技术中国技术路线图

对于中国食品安全评估结果用于风险管理的转化技术路线图进行简单评述.传统食品安全风险评估依赖于确定性模型技术,现有毒理学测试存在由动物外推到人的缺陷,现有膳食暴露没有实现个体化暴露组的评估.本文阐述了21世纪毒理学测试新技术(TT21C)和暴露科学的新动向,特别是中国食品安全风险评估中转化毒理学和暴露组学平台建设的中国技术路线图.

暴露组及其研究方法进展

过去20年中,基因组学的研究成果未能对疾病发生原因提供本质的认识,人们较早意识到环境因素对于人体健康的重要性.早期对于人体暴露的研究主要集中在内外暴露的研究,未综合考虑人体总的环境暴露.自暴露组(exposome)概念提出以来,得到了广泛关注,也使暴露科学的内涵和外延得到了延伸.暴露组是指一个人从出生至生命结束全过程各种暴露的总和,真正意义上探讨污染暴露、人体健康和疾病发生的实在本质,包括了外暴露、内暴露和社会暴露.研究方法上结合了基于生物监测的"自上向下"法和基于监测空气、水和食物等"自下向上"法,而在研究手段上涉及了环境科学的外暴露和基因组学的分子生物学等中广泛应用的研究技术.然而当前准确测量暴露组仍然是一个巨大的挑战,只有多学科技术手段和研究方法发展和融合才能更好地促进暴露组研究的进步.我国暴露科学研究起步较晚,目前学者对于暴露组的研究仍然薄弱,本文主要从暴露组的概念、研究方法以及测量技术手段入手,介绍这一新兴的研究科学.

暴露组学在环境化学物风险评估中的应用研究进展

进入环境化学物的数量日益增长导致基于动物毒性测试的风险评估体系难以满足当前需求,亟待变革。伴随高通量检测技术的广泛应用,暴露组学在风险评估中的应用价值逐渐显现,通过对环境外暴露和机体内暴露水平的动态监测,研究生命不同时期(尤其是生命早期)环境混合暴露对健康的影响。在风险评估中引入暴露组学,系统研究基因‐环境交互作用,为构建暴露‐生物标志物‐疾病发生网络提供可靠依据。本综述从暴露组学研究进展、在风险评估中的应用和当前存在的问题、机遇与挑战,概述暴露组学在环境化学物风险评估中的重要性和应用前景。

暴露组与健康结局关联分析方法研究进展

单一暴露与健康结局关联的研究,较为片面,不能系统揭示真正病因。目前,有研究开始探索暴露组与健康结局的关联,但因困于暴露组数据庞大、暴露因素之间存在相关性等多种问题,依然缺乏有效的方法分析暴露组与健康结局的关联。本文通过对既往文献进行综述,梳理暴露组与健康结局关联的分析方法,指出不可知论方法结合中间层信息能显著降低假阳性率,为准确识别广泛暴露因素中健康结局的影响因素提供参考。

实践中的皮肤暴露组学:毛发生物监测的现状和展望

作为对基因组的一种补充, 暴露组最初被定义为从孕期到死亡的整个生命过程中可能影响健康和老化的环境暴露(即, 非遗传性)的总和, 用于了解慢性疾病风险。暴露组受到多种潜在的相互作用因素的影响以及内在的对这些因素的生物学和生理学应答。因此, 为了获得暴露组的内在表征, 需要识别在外部应激作用下产生的分子信号或生物标记物。

更正启事

由于笔者疏忽,《色谱》2024年第42卷第2期刊登的《基于暴露组-脂质组关联研究的代谢相关脂肪性肝病血清中外源性化学物质的风险分析》一文中出现错误,现更正如下:“1.5节数据处理与统计分析”中,“将定量结果中低于LOD的检测值替换为LOD/2值”更改为“将定量结果中低于LOQ的检测值替换为LOQ/2值”。