高空气污染区域加州学龄儿童暴露与效应的尿液生物标志物

《Environmental and Molecular Mutagenesis》：Urinary Biomarkers of Exposure and Effect in California Schoolchildren From a High Air Pollution Area

暴露于空气污染与不良健康效应相关，如哮喘、肺癌和心血管疾病。儿童由于器官发育未成熟、免疫系统不成熟以及相对于体型的较高通气率而特别脆弱。尽管空气污染的不良健康效应已得到充分证实，但特定污染物成分的贡献及其背后的生物学机制尚未完全明了。这项初步研究调查了氧化应激和炎症的生物标志物及其与儿童空气污染物暴露尿液生物标志物的关联。从加利福尼亚州斯托克顿的一所小学招募了18名儿童，共提供了67份尿液样本。使用酶联免疫吸附测定（ELISA）测量氧化应激和炎症的生物标志物。采用液相色谱-串联质谱法（LC-MS/MS）测量六种挥发性有机化合物（VOCs）和四种多环芳烃（PAHs）的尿液代谢物。氧化应激和炎症的生物标志物与丙烯腈（acrylonitrile）、丙烯醛（acrolein）、巴豆醛（crotonaldehyde）、萘（naphthalene）和芴（fluorene）的尿液代谢物呈正相关。巴豆醛和萘代谢物水平的两倍增加与8-异前列腺素（8-Isop）、8-羟基-2'-脱氧鸟苷（8-OHdG）和前列腺素E₂（PGE₂）显著相关，百分比变化分别介于13%–21%和11%–16%。巴豆醛代谢物水平的两倍增加还与Club细胞蛋白16（CC16）的41%变化显著相关。这些结果表明，氧化应激和炎症的尿液生物标志物可作为评估儿童化学暴露和早期生物效应的有用工具。

该研究发表于《Environmental and Molecular Mutagenesis》，聚焦于空气污染对儿童健康的影响机制。空气污染暴露与哮喘、肺癌和心血管疾病等不良健康效应密切相关，儿童因器官发育未成熟、免疫系统不成熟及相对于体型的较高通气率而尤为脆弱。尽管危害已明确，但特定污染物成分（如挥发性有机化合物（VOCs）和多环芳烃（PAHs））的贡献及其生物学机制尚不完全清晰。基于此，研究人员依托斯托克顿空气污染暴露项目（SAPEP），旨在评估氧化应激和炎症生物标志物与空气污染物暴露尿液标志物之间的关联，为理解早期生物效应提供工具。研究结论表明，VOC和PAH代谢物（尤其是巴豆醛和萘）与氧化应激和炎症生物标志物呈正相关，提示这些生物标志物可用于评估儿童化学暴露及早期健康影响，为后续干预和法规制定（如加州AB 617法案）提供科学依据。

研究人员为开展研究采用了以下关键技术方法：研究队列来自斯托克顿一所小学的18名儿童（5–14岁，72%男性，61%西班牙裔/拉丁裔），在2021年12月两周内采集了67份尿样（每儿童2–4份）。使用酶联免疫吸附测定（ELISA）测量氧化应激和炎症生物标志物（8-异前列腺素（8-Isop）、8-羟基-2'-脱氧鸟苷（8-OHdG）、前列腺素E₂（PGE₂）和Club细胞蛋白16（CC16））。使用液相色谱-串联质谱法（LC-MS/MS）测量六种VOC代谢物（丙烯腈、丙烯醛、氧化丙烯、巴豆醛、苯和1,3-丁二烯）和四种PAH代谢物（芴、萘、菲和芘）。数据经比重（SG）调整，使用线性混合效应模型分析关联，并调整体重指数（BMI）。

研究结果分小节总结如下：

**3.1 研究队列特征**：通过人口统计学分析，参与者年龄5–14岁，72%为男性，78%为西班牙裔/拉丁裔，39%超重或肥胖。多数家庭收入高于联邦贫困线，89%父母具有高中及以上教育。

**3.2 氧化应激生物标志物**：通过ELISA测量尿液8-Isop和8-OHdG，并与其他队列比较。

**3.2.1 8-异前列腺素（8-Isop）**：SG调整后几何均值（GM）为4.55 ng/mL，范围1.35–9.83 ng/mL SG。与弗雷斯诺CHAPS队列（5.5 ng/mg Cr）和萨利纳斯CHAMACOS队列（2.6–3.1 ng/mg Cr）比较，SAPEP儿童水平介于两者之间且高于一般人群，提示高空气污染区域可能引发脂质过氧化。

**3.2.2 8-羟基-2'-脱氧鸟苷（8-OHdG）**：SG调整后GM为42.5 ng/mL，范围21.0–89.4 ng/mL SG。与斯韦科娃等研究（中位数36.5–38.0 ng/mg Cr）和哮喘儿童研究（4.23 μg/g Cr）比较，本研究中8-OHdG水平较高，反映DNA氧化损伤加剧。

**3.3 炎症生物标志物**：通过ELISA测量尿液PGE₂和CC16，并与其他研究比较。

**3.3.1 前列腺素E₂（PGE₂）**：SG调整后GM为3.16 ng/mL，范围0.85–31.7 ng/mL SG。与儿童泌尿功能障碍研究（238 ng/mg Cr）和哮喘儿童研究（250–505 pg/mg Cr）相比，本研究中PGE₂水平低于前者但高于后者，显示炎症反应差异。

**3.3.2 Club细胞蛋白16（CC16）**：SG调整后GM为2.15 ng/mL，范围0.01–91.8 ng/mL SG。与亚利桑那儿童中位数0.8 ng/mL SG相比，本研究中CC16水平较高，可能与空气污染暴露导致上皮屏障功能变化有关。

**3.4 组内相关系数（ICC）**：通过混合模型计算重复样本的ICC。除CC16（ICC=0.88）外，其余生物标志物个体内变异大于个体间变异（ICC较低），表明CC16相对稳定，而8-Isop、8-OHdG和PGE₂受日常生理节律影响波动较大。

**3.5 生物标志物间相关性**：使用重复测量相关分析发现，8-Isop、8-OHdG和PGE₂呈中度正相关（r=0.38–0.58，p<0.05），支持氧化应激触发炎症的生物学机制。CC16仅与8-OHdG弱相关（r=0.38，p<0.05）。

**3.6 空气污染物暴露生物标志物**：通过LC-MS/MS测量VOC和PAH代谢物浓度。所有样本中均可检测到六种VOC和七种PAH代谢物，萘酚（萘代谢物）浓度最高（范围4–116 ng/mL SG），是其他PAH代谢物的150倍以上，反映萘在环境中的普遍性。

**3.7 效应与暴露生物标志物关联**：使用线性混合效应模型（调整BMI）分析关联。VOC代谢物中，巴豆醛代谢物（HPMMA）与所有四种效应标志物显著正相关（每两倍增加对应8-Isop变化13%、8-OHdG变化21%、PGE₂变化21%、CC16变化41%）；丙烯腈代谢物（CNEMA）与8-Isop（9%）和PGE₂（8%）相关；丙烯醛代谢物（3-HPMA）与8-Isop（15%）相关。PAH代谢物中，萘酚与8-Isop（11%）、8-OHdG（15%）和PGE₂（16%）显著正相关；2-羟基芴与8-Isop（10%）弱相关。其他代谢物关联不显著。

**3.8 研究优势与局限**：研究首次在加州高空气污染社区儿童中展示效应与暴露生物标志物的关联，填补文献空白。但由于样本量小（18名儿童），无法代表一般人群，且未控制其他环境和社会应激因素，结果需更大规模研究验证。

在讨论部分，研究人员将结果与已有研究对比，指出SAPEP儿童中氧化应激和炎症水平较高，可能与斯托克顿地区严重的交通和工业污染有关。VOC和PAH代谢物（尤其巴豆醛和萘）与多个效应标志物的正相关，支持了这些污染物通过氧化应激和炎症途径致病的假说。研究结论翻译如下：四个效应生物标志物的测量显示与多种VOCs和PAHs的暴露尿液生物标志物相关。本研究表明，这组生物标志物可能有助于纳入生物监测研究，以提高对儿童化学暴露及其相关效应的理解。加深对这些关联病因机制的理解可能为减轻此类暴露的健康效应提供机会。