鼻腔微生物组在臭氧污染与儿童过敏性鼻炎之间的关联中的作用

《Journal of Hazardous Materials》：The Role of the Nasal Microbiome in Linking Ozone Pollution to Allergic Rhinitis in Children

本研究通过病例对照设计，分析上海地区176名儿童过敏性鼻炎（AR）患者与114名健康对照的鼻腔微生物组。结果显示，长期臭氧暴露（OR=1.21/10μg/m3）与AR风险增加相关，尤其在温暖季节（OR=1.26）。鼻腔微生物α多样性降低（P<0.05），共现网络分析显示群落连通性下降及关键物种丢失。中介分析表明α多样性及类固醇激素合成、柠檬烯/蒎烯降解等微生物功能通路在O?-AR关联中起中介作用。该研究揭示了鼻腔微生物组在O?与儿童AR之间的潜在中介机制，为环境管理和精准干预提供依据。

　　

郝唐|双杜|汤永强|苏文|牛志平|孙进|邵文普|方新毅|唐志伟|张东军|陈卓如|张振华|邵杰|丹·诺尔巴克|孙宇|傅曦|吕兰秋|赵卓辉

摘要

环境中的臭氧（O?）与儿童过敏性鼻炎（AR）有关，但鼻腔微生物组的作用仍不清楚。我们在上海进行了一项病例对照研究（176名AR患儿，114名对照组）。AR患儿的12个月臭氧浓度较高（OR=1.21，95%CI：1.11-1.29 μg/m3），鼻腔微生物的α多样性降低（P<0.05）。共现网络分析显示，AR患儿的鼻腔微生物群落的连通性降低，关键物种也有所减少。臭氧与α多样性呈负相关（P<0.05），这一相关性介导了年度（9.15%，95%CI：3.17-18.45%）和温暖季节（14.21%，95%CI：5.27-27.84%）的臭氧-AR关联；预测的微生物功能途径，特别是类固醇激素生物合成（年度臭氧暴露时8.77%，温暖季节臭氧暴露时18.49%）和柠檬烯/蒎烯降解（温暖季节臭氧暴露时7.46%）（P<0.05），也介导了臭氧-AR关联。我们的发现强调了鼻腔微生物组在调节臭氧暴露与儿童AR之间的关联中的潜在作用。这填补了关于环境臭氧与儿童AR机制方面的空白，为针对臭氧的环境管理和精准儿童健康保护提供了可行的见解。

引言

过敏性鼻炎（AR）是一个全球性的健康问题，影响着数百万儿童，降低了他们的生活质量，并带来了巨大的经济负担[1]，[2]。同时，环境中的臭氧（O?）污染已成为一个持续存在的环境挑战，先前的研究在中国和其他地区表明，长期暴露于臭氧会增加儿童AR的风险和严重程度[3]。由于儿童呼吸系统不成熟、呼吸频率较高，以及单位体重吸入的污染物较多[4]，[5]，他们特别容易受到空气污染的影响。然而，关于臭氧对AR的潜在作用机制仍知之甚少。

鼻腔微生物组作为上呼吸道免疫的关键守护者，越来越多地被认为在AR的发病机制中起作用[6]。菌群失调，表现为微生物多样性降低和组成改变，是AR患者的一个一致特征，可能促进Th2型免疫反应[7]，[8]，[9]。此外，吸入的臭氧会导致氧化应激并损害鼻上皮屏障[10]，[11]，而鼻上皮屏障是鼻腔微生物群的主要栖息地[12]。这为一种相互作用提供了有力依据：臭氧暴露可能会破坏鼻腔微生物生态系统，从而影响AR的发病风险。

然而，关于鼻腔微生物组是否在功能上介导臭氧暴露与儿童AR之间的关联，这一关键问题尚未得到充分探索。以往的研究大多单独探讨了这些关系[3]，[6]。在整合暴露-微生物组-疾病轴方面的研究还存在显著空白。此外，微生物组介导的功能途径在这一背景下的潜在作用完全未知，这超出了简单的分类描述范畴。

本研究通过将鼻腔微生物组作为环境臭氧与儿童AR之间的中介来填补这一空白。我们采用病例对照设计，并利用16S rRNA测序技术，分析了臭氧和AR与微生物介导效应之间的关联，探讨了功能途径的介导作用——旨在阐明臭氧对AR的影响，确定预防目标，并为基于证据的环境管理和儿童健康保护提供支持。

研究设计与样本招募

本研究是一项病例对照研究，旨在探讨臭氧暴露与AR患儿（病例组）及无过敏或呼吸系统疾病的健康儿童（对照组）之间的关联。所有招募的儿童年龄在3至14岁之间，并且至少在上海居住了一年。2019年12月至2023年12月期间，共有176名AR患儿和114名对照组儿童参与了研究。

AR患儿的招募来自...

病例组和对照组的基本特征

共招募了290名儿童，包括176名AR患儿和114名对照组儿童。病例组和对照组在上海市的地理分布相当（见图S1），平均年龄（7.3±2.7岁 vs 7.1±2.8岁，P>0.05）和男孩比例（58.5% vs 50.9%，P>0.05）无统计学差异（见表S1）。AR患儿家族中有AR病史的比例显著较高（P<0.05），使用AR药物的比例也较高（P<0.05），以及二手烟暴露的比例也较高...

讨论

本研究首次揭示并量化了鼻腔微生物组在环境臭氧暴露与儿童AR之间的中介作用，尤其在温暖季节这种作用更为显著。AR患儿表现出鼻腔微生物α多样性降低和β多样性改变。臭氧暴露与AR风险呈正相关，与微生物α多样性呈负相关。中介分析证实了α多样性指数（如Shannon指数、Simpson指数）和预测的功能途径（如类固醇激素合成途径）的显著作用...

结论

这项病例对照研究探讨了环境臭氧暴露、鼻腔微生物组与儿童AR之间的关联，得出了关键的数据支持结果：长期臭氧暴露与AR风险增加相关（每增加10 μg/m3的臭氧浓度，OR为1.21），尤其在温暖季节这种效应更为明显（OR为1.26）；AR患儿表现出鼻腔微生物群失调，表现为α多样性降低、β多样性改变、网络过度连接以及5条KEGG通路上调（包括类固醇激素合成通路）...

环境意义

基于上海的亚热带季风气候（年温度15-28℃，湿度60-80%）和不同季节的环境臭氧水平（109.7-134.1 μg/m3），本研究揭示了通过鼻腔微生物群失调介导的臭氧-儿童AR之间的正相关关系。减轻臭氧污染，尤其是在温暖季节，以及调节微生物组平衡，可能有助于降低AR的负担。

伦理声明

本研究方案已获得复旦大学公共卫生学院伦理委员会（IRB#2019-09-0778）、瑞金医院（批准编号#2020-306）和上海医科大学附属崇明医院（CMEC-2022-KT-22）的批准，所有参与者或其代理人均提供了书面知情同意书。

作者贡献声明

张振华：数据可视化、验证、资源管理、方法学设计、调查实施、数据整理。唐志伟：资源管理、方法学设计、调查实施、数据分析、数据整理。陈卓如：资源管理、方法学设计、调查实施、数据分析、数据整理。方新毅：数据可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、方法学设计、调查实施、数据分析。

作者贡献声明

所有作者都对研究做出了贡献，具体职责如下：赵卓辉、汤永强、苏文、吕兰秋、郝唐和双杜主要负责研究方案制定、患者招募、数据采集与验证、初步数据分析及手稿撰写。傅曦、孙宇和张振华负责研究的设计与实施。牛志平、孙进、邵文普、方新毅和丹·诺尔巴克在研究设计和分析方面提供了支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢所有儿童、家长和医疗专业人员在数据收集方面的贡献。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号82473591）、上海国际科技合作项目（项目编号21230780200）和上海B&R联合实验室项目（项目编号22230750300）的资助。

利益冲突声明

所有作者声明没有利益冲突。