与高住宅氡暴露健康影响相关的血清生物标志物：一项代谢组学初步研究

　　

高氡暴露对健康影响的代谢组学研究新突破

2025 年，来自清迈大学医学院放射学系放射肿瘤学部门的 Narongchai Autsavapromporn 等人在Scientific Reports期刊上发表了题为 “Serum biomarkers associated with health impacts of high residential radon exposure: a metabolomic pilot study” 的论文。该研究通过代谢组学方法，对高氡暴露地区人群的血清代谢生物标志物展开探索，为深入了解高氡暴露的健康影响提供了关键依据，对后续相关疾病的早期筛查及预防策略制定意义重大。

一、研究背景

在泰国北部，空气污染问题严重，清迈府尤为突出。每年 12 月至次年 4 月的燃烧和雾霾季节，该地区的环境颗粒物（PM）浓度急剧上升，致使空气污染位列全球最差行列之一。长期暴露于高浓度的 PM 中，与肺癌、神经系统疾病、呼吸系统疾病和心血管疾病等多种健康问题密切相关。与此同时，室内氡（）作为影响公众健康的重要风险因素，也不容忽视。

国际癌症研究机构（IARC）已将氡及其子体列为第 1 类人类致癌物。氡是一种无色、无味、无形的气体，半衰期为 3.82 天，由镭（）衰变产生，并释放高线性能量转移（LET）辐射，如 α 粒子。当 α 粒子进入人体后，会通过诱导活性氧（ROS）的过度产生，对脱氧核糖核酸（DNA）造成损伤，进而引发癌症和其他疾病。清迈地区的室内氡活动浓度高于泰国其他省份，且燃烧季节的氡浓度显著高于非燃烧季节，这使得研究该地区室内氡暴露的长期健康影响显得尤为迫切。

过往研究虽已证实室内氡暴露与多种癌症和非癌症疾病存在关联，但针对高氡地区除肺癌外的其他疾病相关生物标志物的研究极为匮乏。代谢组学作为一种新兴的强大技术，能够全面研究细胞、组织、生物流体或生物体内的代谢物，为识别潜在的疾病生物标志物提供了新的途径。然而，此前尚无研究通过代谢组学方法确定与高住宅氡暴露相关的潜在疾病生物标志物。基于此，本研究旨在填补这一空白，利用超高效液相色谱 - 高分辨率质谱（UHPLC - HRMS）技术，对清迈高 PM 地区低氡和高氡暴露个体的血清代谢生物标志物进行深入探究。

二、研究材料与方法

（一）研究区域

研究选择清迈府 Mae Chaem 区的 Kong Khaek 分区作为研究区域。该区域森林茂密，多花岗岩高山，是清迈污染最严重的地区之一。2022 年 9 月至 2023 年 3 月，研究人员使用被动氡 - 钍判别监测仪（RADUET）对该区域的室内氡活动浓度进行测量，结果显示其范围在 18.5 至之间，平均值为，高于泰国全国和全球平均水平。根据测量结果，研究人员依据居民住所位置将参与者分为低（<）、中（）、高（>）三个氡暴露组。

（二）参与者与样本采集

研究团队从 Kong Khaek 分区选取了 85 名居民参与过渡性研究，其中低住宅氡暴露组 45 人，高住宅氡暴露组 40 人。参与者需满足年龄在 18 至 80 岁之间、未接受过放射治疗或化疗、非吸烟者等纳入标准；排除孕妇及有其他癌症病史的人群。最终，从每组中匹配性别和年龄后各招募 15 人进行后续分析。

该研究获得了清迈大学医学院人类研究伦理委员会的批准（研究 ID：8613，批准日期：2022 年 7 月 5 日）。在进行室内氡活动浓度测量后，所有参与者均充分了解研究目的，并签署书面知情同意书，随后完成问卷调查并提供血液样本。问卷内容涵盖吸烟史、饮酒情况、空气污染暴露、饮食习惯、癌症家族史和职业史等关键信息。清晨，护士采集参与者 10 mL 空腹外周静脉血，经离心分离出血清样本，并储存于 - 80°C 以备后续分析。

（三）样本制备

在样本制备过程中，血清样本首先解冻，然后用溶解于 70% 甲醇中的 100 mg/L 4 - 氯 - L - 苯丙氨酸进行稀释。混合物在 37°C 涡旋 30 秒，随后在 4°C、13,000 × g 条件下离心 10 分钟。接着，将上清液转移至干净试管，真空干燥。干燥后的样本加入 10%（v/v）乙腈重新溶解，并通过 0.22 μm 亲水性聚四氟乙烯（HPTFE）膜过滤，用于 UHPLC - HRMS 分析。

（四）超高效液相色谱 - 高分辨率质谱（UHPLC - HRMS）分析

UHPLC - HRMS 分析采用 UHPLC 系统（Vanquish；赛默飞世尔科技公司）与 Q Exactive? HF - X 四极杆 - 轨道阱质谱仪系统（赛默飞世尔科技公司）联用。使用 Hypersil GOLD? Vanquish C18 柱（1.9 μm，2.1 mm × 100 mm，赛默飞世尔科技公司）对血清样本进行分离。柱温设定为 30°C，流速为 0.3 mL/min，进样体积为 2 μL。流动相 A 为含 0.1%（v/v）甲酸的水，流动相 B 为含 0.1%（v/v）甲酸的乙腈，采用梯度洗脱程序：0 - 1 min，2% B；1 - 18 min，2 - 100% B；18 - 20 min，100% B；20 - 25 min，100 - 2% B。通过混合等体积的血清样本制备质量控制（QC）样本，以监测分析过程中的稳定性和重复性。

质谱检测由 Q - Exactive? HF - X 轨道阱质谱仪通过加热电喷雾电离源（HESI）进行。采用全扫描 MS1 / 数据依赖型 MS2（dd - MS2）模式检测正离子，具体参数如下：全扫描 MS1 分辨率为 120,000；dd - MS2 分辨率为 30,000；质量范围为 70 至 1000 m/z；辅助气体加热器温度为 320°C；毛细管温度为 320°C；最大注入时间为 100 ms；自动增益控制目标为；阶梯式碰撞能量（CE）为 10、20 和 40 eV；鞘气为 45 任意单位（AU）；辅助气体为 10 AU；吹扫气体为 5 AU；喷雾电压为 3.5 kV（正离子模式）或 2.5 kV（负离子模式）。

（五）数据处理与统计分析

原始数据使用 Compound Discover 3.3 软件（赛默飞世尔科技公司）进行处理，通过 QC 样本进行归一化以识别差异代谢物。所有采集的质谱数据均在人类代谢组数据库（HMDB）中进行搜索，并借助 mzVault、mzCloud 和 ChemSpider 进行代谢物注释。

研究数据以平均值 ± 标准差（SD）表示。使用 MetaboAnalyst 6.0 对 UHPLC - HRMS 数据进行统计分析，组间差异采用 Student's t 检验，P 值小于 0.05 被认为具有统计学意义。通过主成分分析（PCA）和偏最小二乘判别分析（PLS - DA）模型分析两组间血清代谢差异，并使用预测参数 Q 和解释参数评估模型质量。PLS - DA 模型通过在 SIMCA 18.0（Umetrics，瑞典）中进行 200 次循环的置换检验进行验证。根据倍数变化（FC）>1 或 <0.5、投影变量重要性（VIP）>1 和 P 值 < 0.05 的标准选择组间差异代谢物。使用 MetaboAnalyst 6.0 进行受试者工作特征（ROC）曲线分析和曲线下面积（AUC）计算，以识别与高住宅氡暴露相关的疾病生物标志物，AUC≥0.85 的生物标志物被认为具有较高诊断价值。利用京都基因与基因组百科全书（KEGG）数据库进行代谢途径和代谢物集富集分析。

三、研究结果

（一）参与者特征

本研究共纳入 30 名健康参与者，其中男性 16 名，女性 14 名，平均年龄为 61.2 ± 11.9 岁。参与者被分为低住宅氡暴露组和高住宅氡暴露组，每组各 15 人。所有参与者均为非吸烟者，且在研究区域居住至少 15 年。两组在年龄、性别、教育程度和饮酒情况等方面无显著差异。

（二）低、高住宅氡暴露组血清样本的代谢组学分析

运用 UHPLC - HRMS 技术对所有血清样本进行分析，共鉴定出两组间 449 种差异代谢物。PLS - DA 模型（；）能够有效区分这些代谢物，而 PCA 模型效果不佳，表明 PLS - DA 模型在筛选低、高住宅氡暴露组差异代谢物方面更为有效。通过 200 次循环的置换检验对 PLS - DA 模型进行验证，和的截距分别为 0.43 和 - 0.58，证实了该模型具有良好的预测能力和可靠性，且不存在过拟合现象。

（三）潜在生物标志物的鉴定

利用 PLS - DA 模型探究低、高住宅氡暴露组血清代谢组学谱的差异，共鉴定出 222 种区分两组的代谢物，其中 67 种上调，155 种下调。依据筛选标准（VIP > 1，FC > 1 或 < 0.5 且 P < 0.05），最终确定了 92 种差异代谢物，与低住宅氡暴露组相比，高住宅氡暴露组中有 49 种上调，43 种下调。进一步分析发现，高住宅氡暴露组中前 20 种失调最明显的血清代谢物与低住宅氡暴露组存在显著差异。

（四）生物标志物代谢物的验证

为验证代谢标记物作为高住宅氡暴露组潜在疾病生物标志物的重要性，研究人员进行了 ROC 分析，并使用 AUC 值评估这些代谢物的意义。结果确定并选择了 12 种具有高诊断能力和预测准确性（AUC≥0.85）的差异代谢物，其中 5 种上调，7 种下调（AUC = 0.85 - 0.97，95% CI：0.76 - 0.99），包括 2 - 甲基萘、磷酸三乙酯、2,3 - 辛二烯 - 5,7 - 二炔 - 1 - 醇、12a - 羟基 - 3 - 氧代 - 4,6 - 胆二烯 - 24 - 酸、香草醛、环丙孕酮、D - 鞘氨醇、N - 十一烷酰甘氨酸、亚苄基丙酮、哌替啶、3 - 甲基组氨酸和 3 - 甲基吲哚。这些结果表明，这些代谢物可能是高住宅氡暴露组潜在的疾病生物标志物。

（五）生物标志物代谢途径分析

通过 KEGG 途径富集分析对与潜在代谢标记物相关的代谢途径进行研究，根据 P < 0.05 的标准选择显著富集的途径。在关键代谢途径中，共鉴定出 12 种潜在的生物标志物代谢物，这些代谢物可能是高住宅氡暴露的潜在疾病生物标志物。KEGG 途径富集分析进一步基于血液样本数据确定了与高住宅氡暴露组相关的疾病。结果显示，与低住宅氡暴露组相比，高住宅氡暴露组中有四种主要疾病具有显著差异（P < 0.05）。D - 鞘氨醇水平降低（AUC = 0.95，特异性 = 89%，敏感性 = 91%）与肺癌的发生相关；3 - 甲基组氨酸水平降低（AUC = 0.86，特异性 = 76%，敏感性 = 80%）与肾脏疾病、子痫前期和阿尔茨海默病相关。这些发现表明，D - 鞘氨醇和 3 - 甲基组氨酸可能是与长期暴露于高浓度室内氡相关的潜在疾病生物标志物。

四、研究结论与讨论

本研究首次利用 UHPLC - HRMS 技术对清迈府低、高住宅氡暴露组进行血清代谢组学分析，具有重要的意义。研究通过 PLS - DA 模型有效区分了两组的代谢物，并确定了 92 种显著差异的代谢物。借助 ROC 分析，筛选出 12 种与高氡暴露相关的潜在生物标志物。KEGG 途径分析则揭示了 D - 鞘氨醇和 3 - 甲基组氨酸在高氡暴露相关疾病中的关键作用。

D - 鞘氨醇作为鞘脂代谢的关键成分，在本研究中，高住宅氡暴露组的 D - 鞘氨醇水平显著低于低暴露组。已有研究表明，鞘氨醇在肿瘤生长、细胞分裂、转移、免疫活动和凋亡等细胞功能中发挥着重要调节作用。肺癌患者的鞘氨醇水平通常低于健康个体，本研究结果与之相符，提示高氡暴露地区肺癌风险增加可能与鞘脂代谢改变有关，D - 鞘氨醇水平变化或许通过介导氧化应激、DNA 损伤等过程促进致癌，不过这一机制仍需进一步研究验证。

3 - 甲基组氨酸是一种与肌肉代谢和肌肉蛋白质分解相关的氨基酸残基。在本研究中，高住宅氡暴露组的 3 - 甲基组氨酸水平明显低于低暴露组。这一变化可能与长期室内氡暴露导致的骨骼肌代谢改变有关，并且与肾脏疾病、子痫前期和阿尔茨海默病相关。尽管目前关于低、高住宅氡暴露组中 3 - 甲基组氨酸水平与肾脏疾病关系的数据有限，但本研究结果表明，其可作为高住宅氡暴露组肾脏疾病筛查的有效标志物。对于子痫前期，当前缺乏可靠的筛查方法，而本研究中两组 3 - 甲基组氨酸水平的差异，显示出其作为子痫前期潜在指标的可能性。此外，长期暴露于室内氡与神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）有关，本研究发现两组间 3 - 甲基组氨酸水平存在显著差异，提示其可能作为高氡地区阿尔茨海默病的指示指标，但仍需更多研究加以证实。

然而，本研究也存在一定的局限性。样本量相对较小，可能影响研究结果的普遍性，后续需要更大规模的样本进行验证。所有参与者均居住在高 PM 地区，PM 可能与氡暴露产生协同作用，干扰研究结果，影响对室内氡暴露特定影响的判断。高住宅氡暴露组中与 D - 鞘氨醇和 3 - 甲基组氨酸途径相关疾病的潜在机制尚不明确。代谢组学本身也存在局限性，无法直接建立代谢物与疾病结果之间的因果关系，主要反映代谢谱的变化，难以揭示潜在的生物学机制。

尽管如此，本研究仍为高氡暴露地区疾病相关生物标志物的研究奠定了基础。研究结果表明，代谢组学分析在识别高氡暴露相关疾病的生物标志物方面具有巨大潜力，D - 鞘氨醇和 3 - 甲基组氨酸有望成为筛查长期氡暴露高风险个体的血清代谢物。未来研究可进一步扩大样本量，控制 PM 等混杂因素，深入探究相关机制，以更好地理解高氡暴露对健康的影响，为制定针对性的预防和干预措施提供有力依据。