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浙大學者揭秘個體水平空氣暴露組組分的研究方法
2021-01-19 浙江大學

  1月13日,浙江大學生研院蔣超研究員在Nature Protocols上在線發表題為:“Decoding personal biotic and abiotic airborne exposome”的方法學文章。該文章從設備開發、試驗流程以及生信分析角度系統的描述了揭秘個體水平空氣暴露組組分的研究方法。

  人類疾病是由個體遺傳和環境因素共同決定的。而環境的影響可歸因為生物、化學、物理甚至是心理等因素(圖1)。不正常的環境暴露,特別是在幼兒時期,會大大增加各種急性和慢性疾病,包括癌癥、過敏/哮喘和自身免疫性疾病的發生。環境暴露組(Exposome)是近幾年新興的針對于環境因素運用先進技術手段進行大規模量化,并研究這些組分與人類、動物以及其他生物健康狀態/疾病發生發展關系的學科。環境暴露組中又以空氣中的成份最難以開展研究。因此,開發高通量方法,以高靈敏度和高準確性定性和定量個體空氣暴露組組分至關重要。

  圖1. 個體環境暴露組簡圖

  早期的暴露組研究主要通過調查問卷、靶向檢測已知的毒素和病原體、非靶向檢測生物和化學組分,以及利用固定監測建立環境污染物的地理信息系統模型以量化外部暴露組的個性化生理反應。已鑒定數百萬種有機化學物—包括藥品、個人護理產品、增塑劑、農藥、防腐劑、阻燃劑和微生物代謝物等。然而,大多數天然有機化學品仍未被鑒定。在醫學領域,通過檢測人體內部的表觀遺傳變化以間接反映環境暴露情況。在環境科學和生態學領域,通過高流量空氣采樣設備檢測室內和室外環境暴露組分。但是這些研究僅局限在化學成分或微生物的解析,并未兩者兼顧。此外,在這些研究中,一方面主要采用基于標記基因16S的特異性擴增和測序鑒別微生物,缺乏對細菌以外物種的鑒定,且缺乏基因和功能層面深入研究。另一方面,主要采用靶向代謝組識別已知化合物,未能全面描述反應環境暴露組成分的真實情況。因此,開發可以在個體水平直接監測空氣環境暴露組生物和化學組分的高通量方法尤為重要。

  圖2.個體環境暴露組暴露組樣本收集、提取和處理流程概述

  為解決解讀個人空氣環境暴露的各種難題,我們研發了集可穿戴設備、實驗技術、生物信息處理為一體的方法流程,成功實現在個體層面收集和解碼環境生物和非生物暴露(圖2)。我們的采樣方法具有可穿戴性,并通過特定的去污染和等溫線性擴增步驟,將靈敏度提高到亞納克級。該設備還配備有傳感儀,可同時監測溫度、濕度、顆粒物(PM)濃度和采集時間。在相關的研究中,我們通過該方法開展了對15個人長達兩年時間的個人環境暴露組研究,鑒定了2,500多個物種,并對近1,000種化合物進行了注釋,發現了生物和化學組分隨著季節、地理位置、生活習慣變化而變化,首次在個體水平揭秘了高度復雜動態的環境暴露組分與功能特性。

  我院的蔣超研究員與斯坦福大學的張馨月博士和高鵬博士為本文的共同第一作者,蔣超研究員與斯坦福大學的Michael Snyder教授為共同通訊作者,浙江大學生命科學研究院為論文第一單位。該研究工作得到了浙江大學生命科學研究院啟動資金以及Leona M.和Harry B. Helmsley慈善信托基金項目的資助。

  原文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41596-020-00451-8

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