健康学龄儿童空气污染暴露与肠道微生物群相关生物标志物：一项生物监测研究

《Atmosphere》：Air Pollution Exposure and Gut Microbiota-Related Biomarkers in Healthy School-Age Children: A Biomonitoring Study Simone Filardo, Arianna Antonucci, Matteo Albano, Giulia Chicarella, Matteo Vitali, Rosa Sessa, Carmela Protano and Marisa Di Pietro

　　

本研究旨在通过一项生物监测研究，调查健康学龄儿童队列中空气污染暴露与肠道微生物群相关生物标志物之间的关系。在意大利中部地区对一群11岁的健康儿童进行了一项横断面生物监测研究。研究人员测量了选定的尿液(u)挥发性有机化合物(VOCs)（苯、甲苯、乙苯、二甲苯、甲基叔丁基醚(MTBE)、乙基叔丁基醚(ETBE)、2-甲基-2-丁基甲基醚(TAME)和二异丙基醚(DIPE)）作为暴露生物标志物，同时评估了尿液吲哚酚(u-indican)和粪便(f)连蛋白(f-zonulin)作为肠道菌群失调和肠道通透性的指标。通过问卷收集了社会人口统计学和生活方式数据。暴露于环境烟草烟雾、居住在城市地区以及在机动车中停留时间较长的儿童，其尿液挥发性有机化合物的几何均值较高。尿液乙苯和尿液甲苯是最丰富的化合物（平均值±标准差：分别为307 ± 118 ng/L 和 188 ± 94 ng/L）。平均粪便连蛋白和平均尿液吲哚酚浓度分别为49.09 ± 18.41 ng/mL 和 5.97 ± 3.50 mg/dL。尿液乙苯与尿液吲哚酚之间（p = 0.02）以及尿液甲苯与粪便连蛋白之间（p = 0.05）观察到统计学显著的正相关。这些发现为空气污染可能影响儿童的肠道微生物代谢活性和肠道屏障调节提供了初步证据，支持开展更大规模纵向研究的必要性。

本研究为一项横断面生物监测研究，旨在探讨意大利中部地区健康学龄儿童的空气污染暴露与肠道健康之间的潜在关联。空气污染是全球非传染性疾病导致早期死亡的第二大风险因素。挥发性有机化合物（VOCs）是室内外空气污染的重要组成部分，儿童由于其生理和行为特点，对环境污染物尤为脆弱。新兴研究已将关注点从传统呼吸系统终点转向肠道微生物群，认为其可能是环境应激源（包括空气污染）的敏感靶点。肠道微生物群在免疫系统成熟、代谢调节和维持肠道屏障完整性方面发挥着根本作用，而儿童期的肠道微生物群具有高度可塑性，易受环境因素影响。肠道菌群失调及其伴随的代谢产物改变和上皮屏障功能受损，被认为是慢性低度炎症和多种疾病发展的共同特征。目前，尽管有证据将VOCs等环境污染物与微生物群改变联系起来，但针对儿童群体的相关数据仍然有限，且尚未有研究同时评估空气污染暴露生物标志物（如VOCs）与肠道微生物及屏障相关生物标志物。本研究采用生物监测方法，通过同步测定尿液中的VOCs（作为室内外空气污染的暴露生物标志物）以及尿液吲哚酚和粪便连蛋白（分别作为肠道微生物代谢活性和肠道屏障功能的效应生物标志物），旨在增进对空气污染在儿童发育关键窗口期如何影响肠道健康的理解，并突显儿童人群相较于成人所具有的潜在脆弱性。

研究人员对44名健康学龄儿童（平均年龄11.05 ± 0.52岁）进行了研究。在分析和统计部分，采用顶空固相微萃取（HS-SPME）结合气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）定量分析了尿液中的目标VOCs。使用定量检测试剂盒评估了尿液中的吲哚酚水平，并使用竞争性酶联免疫吸附测定（ELISA）试剂盒测量了粪便中的连蛋白浓度。统计分析采用对数转换后的数据，以处理非正态分布。研究利用来自同龄未暴露儿童的尿样制备空白和校准标准品以校正背景污染和基质效应。

在暴露生物标志物层面，研究发现尿液VOC浓度在不同个体间存在显著差异，呈现右偏分布。乙苯和甲苯在尿液中的平均浓度最高。暴露于环境烟草烟雾（ETS）、居住在交通繁忙道路附近（小于500米）、居住在低楼层以及在机动车中停留时间较长的儿童，其多种尿液VOC的几何均值浓度普遍较高，尽管这些差异多数未达到统计学显著性。在肠道相关生物标志物层面，粪便连蛋白的平均浓度处于已报道的健康儿童群体范围内。尿液吲哚酚水平显示出较大的个体间变异性。在肠道相关生物标志物与社会人口学或生活方式变量之间，未观察到统计学显著差异，但理想体质指数（BMI）儿童的粪便连蛋白和尿液吲哚酚几何均值浓度略高于非理想BMI儿童。

本研究的核心关联性发现包括：尿液乙苯浓度与尿液吲哚酚浓度之间存在统计学显著的正相关（r = 0.44, p = 0.02）；尿液甲苯浓度与粪便连蛋白浓度之间存在边缘性正相关（r = 0.18, p = 0.05）。苯、二甲苯、MTBE与吲哚酚或连蛋白之间未观察到显著相关性。此外，多种VOCs之间存在显著正相关，如甲苯与乙苯（r = 0.80, p < 0.001）、甲苯与二甲苯（r = 0.77, p < 0.001），表明它们可能具有共同的暴露源。

讨论部分指出，尿液乙苯与吲哚酚的正相关是一个关键发现，表明VOC暴露可能与肠道微生物代谢活性存在潜在联系。乙苯作为室内外空气污染（如燃料排放、烟草烟雾）的标志物，而吲哚酚是细菌过度生长和菌群失调的常用指标。这种关联可能由多种因素解释，包括VOCs在尿液中排泄动力学的差异，或该关联实际上代表了更广泛的VOC暴露而非特定化合物的效应。尿液甲苯与粪便连蛋白的边缘性关联则提示空气污染可能与肠道屏障调节存在潜在关系。研究人员推测，污染物诱导的氧化应激、宿主免疫代谢反应以及吸入毒物经全身吸收后可能通过易位到达肠道等机制，可能参与了空气污染物对肠道微生物群和屏障功能的影响。然而，鉴于研究的横断面设计和小样本量，这些发现属于初步探索性证据，不能建立因果关系。研究的主要局限包括样本量有限、使用单次尿液采样可能无法反映长期暴露模式、未评估颗粒物（PM）等其他空气污染物的共暴露影响，以及可能存在未测量的饮食或生活方式因素的残余混杂。

综上所述，本研究为健康学龄儿童中空气污染暴露与肠道微生物群相关变化之间的统计学关联提供了初步生物监测证据。同时评估暴露生物标志物和肠道相关效应生物标志物提供了潜在共现模式的整合视角。研究证实了在社区为基础的儿童环境中应用生物监测方法的可行性。尿液VOC浓度的高个体间变异性反映了异质性的暴露来源（如交通排放和环境烟草烟雾）。最重要的是，尿液乙苯与尿液吲哚酚、尿液甲苯与粪便连蛋白之间的正向关联，表明空气污染物暴露与肠道微生物代谢活性及肠道屏障之间可能存在相互作用。鉴于横断面设计，这些结果并不意味着因果关系。需要更大规模的纵向研究，结合详细的暴露评估、肠道微生物组分析和功能生物标志物，以进一步表征这些关联并探究其潜在机制和长期健康影响。