《Journal of Advanced Research》：Multi-organ metabolic dysregulation and cecal microbiota alterations following black carbon exposure
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本研究针对黑碳（BC）暴露的健康危害机制尚不明确的问题，通过整合人群流行病学与动物实验，揭示了BC暴露可导致全身多器官代谢紊乱和肠道菌群失调，并首次阐明了肠道-器官轴在介导BC系统性毒性中的关键作用。研究结果为防治空气污染相关疾病提供了新的靶点。
当我们呼吸着被污染的空气时，可曾想过其中微小的黑碳颗粒正在体内引发一场悄无声息的"系统性风暴"？黑碳（Black Carbon, BC）作为细颗粒物（PM2.5）的关键组分，已被流行病学研究证实与心肺疾病、代谢紊乱和神经退行性病变等多种健康问题密切相关。然而，传统研究多局限于单一器官或单一生物学层面，导致我们对BC如何触发全身性生物学反应的认知存在巨大空白。特别是BC暴露是否以及如何通过扰动肠道微生态平衡，进而"遥控"远隔器官的代谢稳态，这一科学问题亟待解答。
为破解这一难题，来自中山大学公共卫生学院的研究团队在《Journal of Advanced Research》上发表了创新性研究成果。他们巧妙设计了"人群-动物"双向验证的研究策略：一方面利用英国生物样本库（UK Biobank）中24.8万人的大规模流行病学数据，首次系统描绘了长期BC暴露与人体血浆代谢物的关联图谱；另一方面建立慢性低剂量BC吸入暴露小鼠模型，通过多器官代谢组学和盲肠微生物宏基因组测序，深入解析了BC暴露下的系统性生物学响应网络。
研究主要运用了四大关键技术方法：基于弹性网络回归（Elastic Net Regression）的机器学习算法分析人群代谢组学数据；建立12周慢性BC吸入暴露动物模型；采用非靶向代谢组学（Untargeted Metabolomics）技术分析多器官代谢谱；通过宏基因组学（Metagenomics）测序解析盲肠微生物群落结构和功能变化。
人群研究发现长期BC暴露显著改变血浆代谢谱
研究人员发现，长期BC暴露与脂肪酸代谢的显著改变相关：饱和脂肪酸（β = 0.048）和亚油酸（β = 0.028）水平升高，而二十二碳六烯酸（DHA）百分比降低（β = -0.002）。氨基酸代谢也呈现广泛紊乱，缬氨酸（β = 0.011）和组氨酸（β = 0.001）升高，而谷氨酰胺（β = -0.006）和酪氨酸（β = -0.004）降低。糖酵解相关代谢物也呈现一致性变化，乳酸（β = 0.018）和丙酮酸（β = 0.015）升高，柠檬酸（β = -0.005）降低。
BC暴露导致小鼠盲肠微生物群落失调
在动物实验中，BC暴露显著降低了盲肠微生物的α-多样性（Shannon指数：3.67 vs. 4.50）。在属水平上，阿克曼菌（g_Akkermansia）的相对丰度升高，而拟杆菌（g_Bacteroides）的丰度降低。线性判别分析显示，拟杆菌是对照组中最有影响力的菌属，而埃希氏菌（g_Escherichia）在BC组中贡献最大。KEGG通路分析表明，代谢通路特别是次级代谢物生物合成、微生物代谢等功能发生显著改变。
多器官代谢组学揭示组织特异性代谢紊乱
代谢组学分析显示，BC暴露引发了器官特异性的代谢改变。在肝脏中，谷胱甘肽和皮质醇分别升高2.88倍和2.06倍；心脏组织中磷脂酰胆碱PC(16:0/18:1(9Z))显著上调3.22倍；肾脏中花生四烯酸和大麻素分别升高1.48倍和2.35倍。相反，多个器官中的脂肪酸和溶血磷脂酰胆碱普遍下降，表明脂质代谢广泛失调。
组织病理学证实多器官损伤
组织学检查揭示了BC暴露引起的多器官损伤。肺组织出现肺泡壁增厚、炎症细胞浸润和部分肺泡塌陷；心脏组织显示轻度间质水肿；脑组织观察到神经元核固缩。基因表达分析进一步证实了器官损伤：肺中白细胞介素-6（Il-6）表达升高5.35倍，心中肌红蛋白（Mb）表达升高5.18倍，肾中胰岛素样生长因子结合蛋白7（Igfbp7）表达升高3.03倍。同时，盲肠中紧密连接蛋白1（Tjp1）表达降低至0.42倍，表明肠道屏障功能受损。
微生物-代谢物相关性分析揭示肠道-器官轴
多组学整合分析发现，盲肠微生物组成与代谢谱存在显著相关性（Mantel r = 0.276）。Spearman相关分析确定了特定的菌属-代谢物对，如多尔氏菌（g__Dorea）与γ-亚麻酸呈正相关（ρ = 0.641），而阿克曼菌与同一代谢物呈负相关（ρ = -0.621）。距离基于冗余分析（db-RDA）进一步识别出驱动微生物群落变异的关键代谢物，如脑中的棕榈酸、心脏中的猪去氧胆酸等。
研究结论表明，BC暴露通过破坏肠道菌群平衡和代谢稳态，引发多器官损伤和炎症反应，其中肠道-器官轴是介导BC系统性毒性的关键途径。这项工作不仅为理解空气污染的健康危害提供了新的理论框架，也为开发针对肠道微生态的干预策略奠定了科学基础。研究发现的微生物和代谢物标志物有望成为评估BC暴露风险的新型生物标志物，为预防和减轻空气污染相关疾病提供了新的思路。
