陈建民团队ES&T封面文章：超细颗粒物浓度可以作为评价空气污染对健康影响的指标吗？

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2024.1.25

Vocus PTR-TOF

     近日，复旦大学陈建民教授团队在ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY上发表了题为“Diverse Metabolic Effects of Cooking Oil Fume from Four Edible Oils on Human BEAS-2B Cells: Implications for Health Guidelines”的研究论文。该工作采用高分辨率设备对四种常见食用油在烹饪过程中产生的油烟(COFs)理化特征进行在线监测和离线分析，并进行了原位细胞暴露研究，以评估COFs对BEAS-2B细胞代谢组学的影响。结果表明，尽管COFs之间的的超细颗粒物粒径浓度分布相似、且主要化学成分相似，但不同COFs暴露后BEAS-2B细胞的代谢组学变化仍存在显著差异。世卫组织（WHO）2021年空气质量指南建议监测超细颗粒数浓度(空气动力学直径小于等于100nm的颗粒物数目浓度)以评估空气污染对健康的影响。本研究结果表明空气中颗粒物的数目浓度结合其化学成分的研究可更有效的探索其对人体的健康影响。

      空气污染物对公众健康的全球影响日益明显，室内和室外空气污染每年在全世界造成650多万人死亡，这一数字还在继续上升。与此同时，世界卫生组织(WHO)2021年发布了新的空气质量指南，建议PM2.5年浓度为5µg/m³，并建议监测超细颗粒物的数目浓度以评价空气污染对健康的影响。本研究以烹饪油烟（Cooking oil fumes, COFs）为研究对象，采用了暴露组学方法评价了超细颗粒物对人体BEAS-2B细胞的代谢影响。COFs是在高温烹饪过程中热分解或热解产生的颗粒和气态物质的复杂混合物，占全球城市地区有机气溶胶的10-35%，是重要的室内空气污染源之一。

      本研究采用高分辨设备实时分析烹饪油烟(COFs)的特性，并评估其对BEAS-2B细胞代谢的影响。结果表明，大豆油与橄榄油、玉米油与花生油之间COFs粒径浓度分布差异不显著，主要化学组分相似，但COFs造成的代谢损伤具有明显的差异，表明相对少量的特异性COFs化学成分也可以影响呼吸系统内的颗粒行为，从而影响生物反应。

Fig.1 (a) Particle number size distributions of COF particles by applying SMPS. (b) Real-time monitoring four categories of chemical components of COF particles monitored by TOF-ACSM. (c) Mass spectrometry analysis of COF particles by using HPLC-Q-TOF-MS.

利用SMPS、TOF-ACSM和HPLC-Q-TOF-MS分析不同类型食用油加热后产生的COFs颗粒的粒径分布和化学成分。结果表明，大豆油和橄榄油的粒径分布情况相似、玉米油和花生油的粒径分布情况相似；相对而言，四种COFs在化学成分上有显著差异。

Fig. 2 (a) Real-time monitoring VOC species, (b) four categories of chemical components, (b)VOC species fractions of COF gaseous pollutants measured using PTR-TOF-MS.

利用Vocus PTR-TOF-MS分析不同类型食用油加热过程中挥发性有机化合物的种类。结果表明四种COFs的在VOC的种类上具有显著差异。

Fig.3. (a) Hierarchical clustering heatmap of differential metabolites separates the control group samples from those of different kind of oil treated groups. (b) Score plot of partial least-squares discriminant (PLS-DA) analysis overview of metabolites among the control, corn oil, soybean oil, peanut oil and olive oil groups.

分层聚类热图显示出五组之间的代谢产物的明显差异，PLS-DA结果表明，在相同培养条件下，暴露于大豆、花生、橄榄油、玉米油中COFs的细胞与对照组不同(图3b)，表明暴露于COFs会诱导细胞代谢改变。

Fig.4. (a-d) The up-regulated and down-regulated pathway analysis of different oil treatment with cells.

基于这些代谢物进一步分析了不同代谢途径的变化。结果表明，在接触四种不同类型油烟的实验组中，可以观察到COFs会影响细胞的代谢通路向上和向下调节。

Fig.5. (a) Venn diagram analysis of different metabolites. (b) After cells are treated with or without the four kinds of oil, cells are collected for the RT-PCR analysis. Statistical analyses are done by using one-way ANOVA followed by the analysis of variance with Tukey correction. Data are means SEM. * p<0.05; ** p<0.01. (c) The pathway analysis in olive oil-treated cells. (d) The pathway analysis in peanut oil-treated cells. (e) The pathway analysis in corn oil-treated cells.

接下来，我们又聚焦于对照组相比，不同油烟暴露组中特异性上调的代谢物上，并通过维恩图进一步分析它们。结果表明，橄榄烟显著增加了炎症基因的表达，尤其是TNF-α；另一方面，橄榄油COFs可以上调雄激素和雌激素的代谢途径。

      超细颗粒物的数量浓度对于评估与空气污染相关的健康风险很有价值，但了解颗粒的化学成分和伴随的气态物质也同样重要。