要茂盛课题组使用大鼠呼吸气态生物标志物实时监测空气污染对健康的影响

摘要：研究空气污染对健康的影响采用离线技术，因此无法提供现场观测。在这里，我们通过使用开发的集成呼气阵列传感器（IEBAS）在线分析来自大鼠呼出气体的一系列生物标志物，展示了它们的实时监测。生物标志物包括总挥发性有机化合物（TVOC）、CO2、CO、NO、H2S、H2O2、O2和NH3。通过气相色谱-离子迁移谱仪（GC-IMS）分析了特定的呼吸传播VOCs。在现实生活中的环境空气污染暴露（2小时）后，PM2.5和O3的污染水平都显著影响大鼠呼吸中多种气体生物标志物的相对水平。11个生物标志物，特别是NO、H2S和1-丙醇，被检测到与PM2.5浓度显著相关，而庚醛被证明与O3显著相关。同样，与合成空气暴露相比，在实验室控制的O3暴露水平为150、300和1000 μg/m3（2小时）的大鼠中，多种呼吸性生物标志物也检测到显著变化。重要的是，庚二醛被实验证实是O3暴露的可靠生物标志物，具有显著的剂量-反应关系。相比之下，暴露2小时后，大鼠血清中炎症和氧化应激的常规生物标志物差异不显著。结果表明，呼吸性气体生物标志物可以作为环境污染物暴露的早期敏感指标。这项工作开创了在线监测空气污染对健康影响的新研究范式，同时获得了PM2.5和O3暴露的重要候选生物标志物信息。

正文：

空气污染是当代社会面临的重大环境问题之一。以PM2.5、O3、生物气溶胶等为特征的空气污染对人类健康影响巨大，如引发炎症、氧化应激、呼吸系统疾病、心血管疾病等，甚至是死亡。近日国务院出台了《空气质量持续改善行动计划》，强调以改善空气质量为核心，以减少重污染天气和解决人民群众身边的突出大气环境问题为重点，以降低细颗粒物（PM2.5）浓度为主线，大力推动氮氧化物和挥发性有机物（VOCs）减排。减排的最终目标是保护人群健康，但目前还是以颗粒物的质量浓度来评估空气质量和控制效率，而缺失了实际健康效应的考量。

大气中除了颗粒物，还有气体污染物以及生物成分如过敏原、毒素等。人体呼吸暴露的健康效应需要考虑所有这些物质的效应以及它们可能存在的协同作用。此外，目前研究空气污染健康效应的方法通常采用离线技术，如PM鼻腔灌注、血液注射或富集后再气溶胶化，并需要进行繁琐、有创的组织或血液取样分析。这些缺点限制了对真实环境中空气污染健康危害的精准的、具有时效性的评估和预警。实时在线监测大气污染综合健康效应的实现能够更精准地、更时效地评估空气污染的健康危害，为大气污染控制的最佳健康收益提供技术支撑。

针对以上问题，北京大学环境科学与工程学院要茂盛教授团队在过去的几年里一直致力于新一代空气毒性监测方法和技术的创新，专注于利用早期健康效应生物标志物的无创分析，实现空气污染健康效应的实时在线监测与预警。最近研发了基于大鼠活体传感实时在线监测空气污染健康效应的系统。该系统通过集成活体大鼠、大鼠呼出气标志物实时监测阵列、网络数据传输与显示系统，实现了大气污染健康效应的实时探测与显示，开启了新模式的空气污染监测思路（图1）。该系统已经在全国12个重要城市部署示范监测空气污染健康效应。

图1 基于大鼠呼出气标志物实时监测空气污染健康效应实物图

该监测系统经过了实验室可控研究以及室外环境大气监测示范，系统包括活体大鼠、大鼠呼出气标志物监测装置以及网络显示系统。研究团队首次开发了一种集成式呼出气阵列传感器（IEBAS），该传感器由8个低成本气体传感器组成，用于同步实时监测活体动物呼出气中的TVOC、CO2、CO、NO、H2S、H2O2、NH3和O2。在实验室可控研究中，将27只Wistar大鼠暴露于9个不同污染时段的室外污染空气中，并将24只大鼠暴露于实验室控制的臭氧中（0 μg/m3, 150 μg/m3, 300 μg/m3, 1000 μg/m3），暴露时间均为2小时。使用IEBAS监测大鼠呼出气中8种气体标志物在污染空气暴露前后的变化，并使用气相色谱-离子迁移谱仪（GC-IMS）分析呼出气体中具体VOCs的变化。在实验室臭氧暴露后，同时对大鼠进行静脉采血以检测传统的炎症及氧化应激血液生物标志物，从而对比不同方法在反映空气毒性上的效果和灵敏度。研究发现，在将大鼠暴露于真实室外污染空气后，使用集成式呼出气阵列传感器和GC-IMS实时监测到大鼠呼出气中的多种气体标志物发生显著改变（图2）。其中，PM2.5污染水平显著影响了CO、NO、H2S、H2O2、O2、NH3和正丙醇的相对水平，O3污染水平显著影响了NO、H2S、O2、NH3、庚醛和2-庚酮的相对水平；多种气体标志物与PM2.5和O3的浓度之间存在显著相关性。这些证据表明，在2 h的暴露窗口中，PM2.5和O3的暴露显著改变了大鼠呼出气中多种气体标志物的释放模式，并能通过本研究构建的方法实时在线监测到。研究进一步在实验室条件下验证了该方法的可靠性，并发现合成空气暴露2 h不会显著改变大鼠呼出气中的气体标志物；而不同浓度的臭氧（150 μg/m3、300 μg/m3、1000 μg/m3）暴露2 h显著改变了大鼠呼出气中的多种气体生物标志物，其中TVOC、CO、H2S、O2和庚醛与臭氧浓度之间具有明显的剂量-反应关系（图3）。这些证据表明，大鼠呼吸洁净空气时所研究的呼出气标志物改变不显著，而呼吸毒性空气时多种标志物会发生重要变化，且与污染物浓度存在剂量-反应关系。相比较蛋白标志物，呼出气气体生物标志物对毒性空气暴露的响应更为迅速和灵敏。

图2 真实室外污染空气暴露导致大鼠多种呼出气标志物改变

图3 臭氧模拟暴露验证剂量-反应关系

这项研究通过利用活体大鼠开创了一种实时在线感知空气污染健康效应的新研究范式，首次揭示了大鼠呼出气中的多种无机和有机气体生物标志物在暴露于真实环境污染空气后快速发生显著改变，同时获得了PM2.5和O3暴露的重要候选生物标志物信息。通过使用本研究发明的集成式呼出气阵列传感器（IEBAS），可实现基于活体传感的空气污染健康效应的实时在线监测。相比于传统的基于血液和组织的毒理学分析方法，本方法的优势在于呼出气的在线、简便、无创、低成本检测分析，并且能够提供多维度、高分辨率的健康效应信息。除城市空气污染监测外，该方案也可应用于医院、学校、地铁、海关等高风险场所以及生化反恐事件中的空气生物安全预警保障。同样的呼出气生物标志物监测方案也可用于临床患者的健康状况监测。

目前，课题组已经与国内12所大学建立合作，并通过与北京工匠生物科技有限公司合作分别在北京、太原、呼和浩特、西安、兰州、郑州、南京、杭州、长沙、成都、昆明、贵阳部署了相关监测系统（图4）。通过大鼠原位暴露、呼出气自动采集、传感阵列分析和网络传输显示，该系统可以实时、同步、在线观测到不同城市24小时的大气污染健康效应，实现对污染事件的快速预警和不同地区空气毒性差异的有效区分，为大气污染的精准防控提供了重要的技术支撑。

图4 实时在线监测全国不同城市空气污染健康效应

该项研究在大气污染健康效应方面属于全新的研究范式，研究成果以“Real-time Monitoring of Air Pollution Health Impacts Using Breath-Borne Gaseous Biomarkers from Rats”为题发表在Environ. Sci. Technol.刊物上（https://doi.org/10.1021/acs.est.3c08629）。论文的第一作者为北大环境学院博士生朱晨宇，北大要茂盛教授为通讯作者。该项目主要得到了国家重点研发计划（SQ2022YFC3700094）、NSFC创新研究群体基金（22221004）、广州实验室（SRPG22-007） 以及国家重点研发计划COVID-19专项基金（2023YFC3041200）的资助。相关技术系统已申报国家专利。

朱晨宇（论文第一作者，北京大学环境科学与工程学院二年级博士研究生）