《Environment International》：Structure–dependent association between Perfluoroalkyl and polyfluoroalkyl substances and hemoglobin in the chinese population: insights from epidemiological analysis and molecular simulations
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本研究针对全氟和多氟烷基物质(PFAS)与血红蛋白(Hb)的结构-功能关系尚不明确的问题，通过中国国家人体生物监测项目数据，结合分子对接和量子力学计算，首次揭示了PFAS混合物与Hb呈负相关，且PFUnDA为主要贡献者，PFCA碳链长度与效应大小呈正相关。该发现为PFAS血液毒性机制研究提供了重要流行病学和理论依据，对化学品安全管控具有重要警示意义。
在我们日常生活的环境中，潜藏着一类具有高度稳定性的化学物质——全氟和多氟烷基物质（PFAS）。由于其独特的防水、防油特性，PFAS被广泛应用于不粘锅涂层、防水服装、食品包装等众多工业产品和消费品中，然而，这种稳定性也导致了它们在环境和生物体中的持久存在与累积，引发了广泛的健康担忧。既往研究已将PFAS暴露与神经毒性、内分泌干扰、免疫功能下降以及多种慢性疾病风险增加联系起来，但其对血液系统，特别是对负责体内氧气运输的关键蛋白——血红蛋白（Hb）的影响，仍知之甚少。
血红蛋白浓度不仅是血液系统健康的重要指标，也反映了机体的整体氧合和代谢状态。血红蛋白异常与衰弱、慢性肾病、心力衰竭甚至死亡风险增加相关。一些针对特定人群（如青少年、成年人、孕妇）的研究报道了PFAS暴露与血红蛋白浓度之间存在正相关关系，而动物实验却显示了相反的结果，这种不一致性使得PFAS的血液毒性效应扑朔迷离。更重要的是，聚焦于血红蛋白水平正常的健康个体，观察PFAS暴露引起的血红蛋白细微变化，有助于探索PFAS在普通人群中潜在的亚临床血液学风险，从而实现早期风险识别和预防。此外，PFAS与血红蛋白相互作用的精确分子机制，特别是不同结构的PFAS与血红蛋白结合的差异，仍有待阐明。
为了解答这些科学问题，发表在《Environment International》上的研究论文《Structure–dependent association between Perfluoroalkyl and polyfluoroalkyl substances and hemoglobin in the chinese population: insights from epidemiological analysis and molecular simulations》进行了一项开创性的研究。该研究团队利用中国国家人体生物监测项目（CNHBM 2017–2018）的基线数据，对6883名血红蛋白水平正常的参与者进行了横断面研究，并巧妙地结合了计算模拟方法，旨在从流行病学和机制两个层面，深入探究PFAS与血红蛋白之间的关联和相互作用。
为了系统回答上述问题，研究人员采用了多层次的研究策略。首先，在流行病学分析方面，他们基于中国国家人体生物监测项目（CNHBM）的6883名血红蛋白水平正常的成年人数据，测量了8种血清PFAS的浓度。随后运用了三种统计模型：多元线性回归用于评估单个PFAS与血红蛋白的关联；贝叶斯核机器回归（BKMR）用于处理PFAS混合物暴露的非线性和相互作用，评估其整体效应和单个成分的暴露-反应关系；分位数g计算模型则用于量化PFAS混合物对血红蛋白的联合效应以及各PFAS的贡献权重。其次，在机制探索层面，研究人员采用了计算生物学方法：通过分子对接技术（使用AutoDock Vina软件）模拟PFAS与血红蛋白α、β亚基以及血红素（Heme）的结合模式和亲和力；并进一步利用量子力学计算（使用ORCA软件，采用UB3LYP和PWPB95泛函等高级方法）精确计算了PFAS与血红素之间的结合能，并将其与氧气（O2）的结合能进行比较，以评估PFAS干扰血红蛋白氧结合能力的潜在可能性。
3.1. 研究人群的基本特征
研究共纳入6883名参与者，其中男性3043人（加权百分比57.09%），女性3840人。与男性相比，女性具有较低的体重指数（BMI）、教育水平、肉类和海鱼消费频率，以及较高的非吸烟者和非饮酒者比例。在所有8种血清PFAS中，全氟辛烷磺酸（PFOS）的中位浓度最高（5.85 ng/mL），其次是全氟辛酸（PFOA，3.72 ng/mL）和6:2氯代聚氟醚磺酸盐（6:2Cl-PFESA，1.77 ng/mL）。女性的所有8种PFAS浓度以及血红蛋白浓度（134.94 g/L）均显著低于男性（149.15 g/L）。
3.2. 血清PFAS与血红蛋白浓度的关联
在单一污染物模型中，全氟羧酸（PFCA）中的全氟十一烷酸（PFUnDA）与血红蛋白浓度呈显著负相关，其第四分位数（Q4）与第一分位数（Q1）相比，血红蛋白变化的β值（95% CI）为-1.42（-2.67, -0.18）。尽管全氟壬酸（PFNA）和全氟癸酸（PFDA）未显示显著关联，但PFNA、PFDA和PFUnDA的Q4效应大小的绝对值呈现递增趋势（从-0.17到-1.42）。相比之下，全氟磺酸（PFSA），包括全氟己烷磺酸（PFHxS）、全氟庚烷磺酸（PFHpS）和PFOS，在单一污染物模型中未观察到显著的负相关。PFOS的替代物6:2Cl-PFESA与血红蛋白水平呈负相关趋势。
由于8种PFAS之间存在高度相关性（Pearson相关系数0.54-0.94），研究人员应用BKMR模型以解决共线性带来的偏倚。BKMR模型揭示了PFAS混合物与血红蛋白之间存在总体负相关趋势。当固定其他PFAS于中位水平时，PFNA、PFDA到PFUnDA的剂量-反应曲线均呈现下降趋势，这与单一污染物模型的结果一致，共同表明PFCA与血红蛋白的负关联效应大小随着其碳链长度的增加而增加。对于PFSA，PFHxS和PFHpS未显示显著关联，而PFOS呈倒U型关系。6:2Cl-PFESA在BKMR模型中亦显示与血红蛋白的负相关趋势。主成分分析（PCA）结果同样支持PFAS混合物与血红蛋白水平呈负相关。
3.3. 亚组分析
考虑到PFAS浓度和血红蛋白水平存在性别差异，研究人员进行了性别分层分析。分位数g计算分析显示，PFAS混合物仅在女性中与血红蛋白水平呈显著负相关（β = -0.52, 95% CI: -0.84, -0.20），其中PFUnDA和6:2Cl-PFESA是负关联的主要贡献者，分别占总体效应的87.20%和9.20%。而在男性中，95%置信区间包含零值。单一污染物模型进一步证实，在女性中，PFDA和PFUnDA与血红蛋白浓度呈显著负相关，且PFCA碳链长度依赖性的关联趋势在女性中比在总人群中更为明显。此外，6:2Cl-PFESA在女性中也显示出与血红蛋白的显著负相关。
研究还发现，在BMI < 24 kg/m2的个体中，PFAS混合物与血红蛋白呈负相关（β = -0.35, 95% CI: -0.69, -0.01），且PFUnDA与血红蛋白的负关联在该亚组中更为明显。在肉类摄入频率高（≥7次/周）的亚组中，PFAS混合物也与血红蛋白水平负相关（β = -0.37, 95% CI: -0.71, -0.03）。这些发现表明，PFAS暴露与血红蛋白水平降低的关联在女性、低BMI个体以及肉类高消费人群中更为显著，且PFUnDA是各亚组中暴露-反应关系的主要贡献者。
3.4. PFAS与血红蛋白的相互作用
分子对接分析表明，所有测试的PFAS都能有效对接至血红蛋白的α亚基口袋，结合能得分在-8.934 至 -10.170 kcal/mol之间，相互作用主要由卤键和氢键介导。相比之下，PFAS对β亚基的亲和力有限，结合能得分在-5.790 至 -6.565 kcal/mol之间。α亚基内部口袋的体积显著大于β亚基，β亚基口袋中较高比例的芳香族氨基酸及其侧链的空间位阻可能限制了长链PFAS进入结合位点。进一步将对接区域限制在血红素周围并调整特定残基（如α亚基的His59）的柔性后，发现所有测试的PFAS都能在α亚基中与血红素稳定结合，而在β亚基中未观察到PFAS与血红素的稳定对接。
量子化学计算用于理解PFAS与氧气在结合血红素方面的差异。结果显示，所有测试的PFAS都能紧密地与血红素结合，其氧原子与二价铁（Fe(II)）之间的距离在1.896 ? 至 1.967 ? 之间（氧气为1.782 ?）。在三种PFAS中，PFCA对血红素表现出最强的亲和力，与分子氧的亲和力相似。这表明PFCA可能比其它类型的PFAS对血红蛋白的氧结合功能产生更大的影响。
本研究通过流行病学分析与分子模拟相结合，揭示了PFAS混合物暴露与普通人群血红蛋白浓度之间存在负相关关系，其中PFUnDA是主要的贡献者。更重要的是，这种关联表现出明显的结构依赖性：PFCA的碳链越长，其与血红蛋白的负关联效应越大，这种趋势在女性中尤为显著，而PFSA则未观察到类似趋势。PFOS的替代物6:2Cl-PFESA在女性中也与血红蛋白呈负相关。分子模拟结果进一步证实，PFAS可能直接干扰血红蛋白，并以显著的结构效应关系影响其氧结合能力。此外，亚组分析表明，女性、低BMI个体以及肉类高消费者对PFAS的血液毒性效应更为敏感。
讨论部分指出，本研究发现的PFAS混合物与血红蛋白的负相关，与某些报道PFAS暴露与妊娠期贫血正相关（即与低血红蛋白相关）的流行病学研究方向一致，也得到动物实验中PFOA可剂量和时间依赖性降低小鼠血红蛋白水平的支持。PFCA碳链长度依赖性效应的潜在机制可能涉及长链PFCA诱导更强的氧化应激、更长的半衰期和生物累积性，以及可能通过铁死亡（ferroptosis）等途径对红系前体细胞造成损伤。显著的性别差异可能源于性激素（如雄激素促进红细胞生成，雌激素可能抑制骨髓）对血红蛋白合成的调控差异，以及PFAS内分泌干扰作用的性别特异性。分子模拟结果首次从原子层面提示，PFAS（尤其是PFCA）通过与血红蛋白α亚基的血红素竞争性结合，可能直接干扰血红蛋白的氧结合功能，这为理解PFAS的亚临床血液毒性提供了新的机制视角。
该研究的局限性包括横断面设计难以确立因果关系、未能完全控制铁代谢状态和慢性炎症等混杂因素、仅使用血清PFAS浓度而非全血浓度可能带来误差、以及可能存在其他未监测污染物的协同或拮抗作用。未来的研究需要前瞻性队列设计、更全面的混杂因素控制以及多污染物混合暴露的评估。
总之，这项研究首次在中国普通人群中系统揭示了PFAS暴露，特别是长链PFCA和某些替代物，与血红蛋白水平之间存在结构依赖性的负关联，并得到了计算模拟结果的机制支持。这些发现为PFAS相关的血液毒性机制研究提供了重要的流行病学和理论依据，凸显了控制PFAS暴露的紧迫性，对公共卫生政策和化学品安全管理具有重要意义。
