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目的：慢性阻塞性肺部疾病(COPD)是一种慢性呼吸系统疾病，与肺部对有害气体或有害颗粒的异常炎症反应有关。COPD的治疗效果并不乐观，呈逐年上升趋势。目前认为香烟烟雾和生物燃烧产生的烟雾等有害气体是诱发COPD最主要的危险因素，特别是香烟烟雾，但其根本的发病机制尚未完全阐明，可能涉及氧化应激、蛋白酶/抗蛋白酶失衡、免疫失衡以及Nrf-2、NF-κBp65参与调控的信号通路等。
香烟烟雾能够破坏气道上皮细胞，并对支气管和气道造成损伤。香烟烟雾中含有多种有害成分，如尼古丁和焦油等，这些物质具有刺激性、毒性和潜在的致癌性，能够损伤机体的多种组织与器官，这些化合物1/3直接来源于烟草本身，另外的2/3是在其基础上通过一系列复杂的物理化学过程产生的。以烟草内源性化合物为切入点，研究烟雾的毒理学效应，对于揭示烟雾的致病作用具有重要意义。
代谢组学是研究生物体被扰动后内源性代谢物变化规律的系统科学，与基因组学和蛋白组学相比，代谢组学具有一定的优势，它能够更加直观的研究生物体受到外界刺激扰动后机体发生的动态变化，并通过代谢组学的分析手段揭示外界因素对生物体的作用机制，其在COPD中的应用研究已成为热点。本实验室前期已采用烟雾暴露法成功构建了COPD大鼠模型，对COPD大鼠炎症损伤、氧化/抗氧化失衡、肺组织中细胞凋亡等进行深入研究，并发现不同基因型烟草的毒理学效应不同。为揭示不同基因型烟草内源性化合物与其烟雾毒性关系，本研究通过代谢组学技术解析不同基因型烟草及COPD大鼠体液的内源性差异代谢物并采用免疫组化法测定与炎症、氧化抗氧化调控相关蛋白(NF-κBp65、Nrf2)在肺及肺外组织的表达差异，从而分析不同基因型烟草的烟雾对大鼠机体的毒理学效应，这对阐明烟雾的毒性作用，揭示疾病的发病机制具有重要意义。
方法：MS培养基培育三种基因型烟草(NDY-1、NDY-2、NDY-3)的无菌苗，达到成苗期置于冰上取材，冷冻干燥后，取200mg样品进行氢核磁检测。
将48只雄性SD大鼠分为对照组(CK组)和三个模型组(NDY-1、NDY-2、NDY-3)，以三种不同基因型烟草卷制的单料烟对实验组大鼠烟熏染毒，构建COPD模型。于30d和60d采集尿液及血浆样本，用于核磁检测；取肝、脾、肺、肾组织，免疫组化法检测肺及肺外组织中核转录蛋白NF-κBp65及Nrf2的表达。
结果：1、取60d无菌培养的烟草无菌苗，样品前处理后核磁检测。通过核磁氢谱共指认出18种化合物，对三种基因型烟草的代谢物进行组间比较分析后，得出亮氨酸、蔗糖、丙氨酸、胆碱、脯氨酸、谷氨酸、甘氨酸、γ-氨基丁酸、β-葡萄糖、α-葡萄糖和天冬氨酸为差异性代谢物，
2、大鼠烟雾暴露染毒后，对血浆及尿液样本进行代谢物分析。与健康对照组相比，通过多元统计分析，从血浆中筛选出的差异性代谢物为：O-乙酰化糖蛋白、甘氨酸、肌酐、葡萄糖、胆碱、琥珀酸、乳糖和丙氨酸等，其中甘氨酸为模型组共同含有，缬氨酸和肌酐为NDY-1组特有，胆碱为NDY-3组特有；从尿液中筛选出的差异性代谢物为：胍基乙酸盐、马尿酸盐、酮戊二酸、尿囊素、丙氨酸、牛磺酸、二甲基甘氨酸等，其中柠檬酸、马尿酸盐、尿囊素和二甲胺为模型组共同含有，另外，柠檬酸、肌酸、酮戊二酸、和丙氨酸为烟雾暴露30d时模型组出现的共同差异性代谢物，牛磺酸为烟雾暴露60d时模型组出现的共同差异性代谢物。通过对差异性代谢物的代谢通路分析，得出烟雾暴露对大鼠血浆及尿液的代谢造成一定的影响，涉及甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢途径，牛磺酸和亚牛磺酸代谢途径，糖酵解或糖异生，丙酮酸代谢途径，乙醛酸和二羧酸代谢途径等。
3、与对照组相比，模型组大鼠肺、肝、脾、肾组织中Nrf2及肝、脾脏组织中NF-κBp65在烟雾暴露30d及60d后表达水平均显著上升(p＜0.01)。此外，肺组织中NF-κBp65在NDY-1组和NDY-2组烟雾暴露30d时表达量无明显差异，而烟雾暴露60d时，NF-κBp65的表达水平明显升高(p＜0.01)；肾组织中NF-κBp65的表达仅NDY-3组且烟雾暴露30d时有显著差异(p＜0.01)。
结论：三种基因型烟草的化合物质存在一定的差异，说明基因型是决定烟草化学成分的关键因素之一，其中NDY-1中胆碱、甘氨酸的含量较多，NDY-2中蔗糖、脯氨酸、谷氨酰胺、丙氨酸的含量较多，NDY-3中β-葡萄糖、α-葡萄糖的含量较多。烟雾暴露后可对大鼠血浆及尿液的代谢造成一定的影响，与健康对照组相比，不同模型组中代谢物的变化存在差异，这可能是由于烟草的内源性物质影响了烟雾的化学成分，从而导致了生物学效应不同；此外，血浆中的甘氨酸及尿液中的马尿酸盐、二甲胺、尿囊素可作为COPD的潜在生物标志物。大鼠肺及肺外组织中Nrf2、NF-κp65在烟雾暴露后表达量显著上升，说明香烟烟雾可刺激大鼠机体并可能产生了炎症反应及氧化应激。
香烟烟雾能够破坏气道上皮细胞，并对支气管和气道造成损伤。香烟烟雾中含有多种有害成分，如尼古丁和焦油等，这些物质具有刺激性、毒性和潜在的致癌性，能够损伤机体的多种组织与器官，这些化合物1/3直接来源于烟草本身，另外的2/3是在其基础上通过一系列复杂的物理化学过程产生的。以烟草内源性化合物为切入点，研究烟雾的毒理学效应，对于揭示烟雾的致病作用具有重要意义。
代谢组学是研究生物体被扰动后内源性代谢物变化规律的系统科学，与基因组学和蛋白组学相比，代谢组学具有一定的优势，它能够更加直观的研究生物体受到外界刺激扰动后机体发生的动态变化，并通过代谢组学的分析手段揭示外界因素对生物体的作用机制，其在COPD中的应用研究已成为热点。本实验室前期已采用烟雾暴露法成功构建了COPD大鼠模型，对COPD大鼠炎症损伤、氧化/抗氧化失衡、肺组织中细胞凋亡等进行深入研究，并发现不同基因型烟草的毒理学效应不同。为揭示不同基因型烟草内源性化合物与其烟雾毒性关系，本研究通过代谢组学技术解析不同基因型烟草及COPD大鼠体液的内源性差异代谢物并采用免疫组化法测定与炎症、氧化抗氧化调控相关蛋白(NF-κBp65、Nrf2)在肺及肺外组织的表达差异，从而分析不同基因型烟草的烟雾对大鼠机体的毒理学效应，这对阐明烟雾的毒性作用，揭示疾病的发病机制具有重要意义。
方法：MS培养基培育三种基因型烟草(NDY-1、NDY-2、NDY-3)的无菌苗，达到成苗期置于冰上取材，冷冻干燥后，取200mg样品进行氢核磁检测。
将48只雄性SD大鼠分为对照组(CK组)和三个模型组(NDY-1、NDY-2、NDY-3)，以三种不同基因型烟草卷制的单料烟对实验组大鼠烟熏染毒，构建COPD模型。于30d和60d采集尿液及血浆样本，用于核磁检测；取肝、脾、肺、肾组织，免疫组化法检测肺及肺外组织中核转录蛋白NF-κBp65及Nrf2的表达。
结果：1、取60d无菌培养的烟草无菌苗，样品前处理后核磁检测。通过核磁氢谱共指认出18种化合物，对三种基因型烟草的代谢物进行组间比较分析后，得出亮氨酸、蔗糖、丙氨酸、胆碱、脯氨酸、谷氨酸、甘氨酸、γ-氨基丁酸、β-葡萄糖、α-葡萄糖和天冬氨酸为差异性代谢物，
2、大鼠烟雾暴露染毒后，对血浆及尿液样本进行代谢物分析。与健康对照组相比，通过多元统计分析，从血浆中筛选出的差异性代谢物为：O-乙酰化糖蛋白、甘氨酸、肌酐、葡萄糖、胆碱、琥珀酸、乳糖和丙氨酸等，其中甘氨酸为模型组共同含有，缬氨酸和肌酐为NDY-1组特有，胆碱为NDY-3组特有；从尿液中筛选出的差异性代谢物为：胍基乙酸盐、马尿酸盐、酮戊二酸、尿囊素、丙氨酸、牛磺酸、二甲基甘氨酸等，其中柠檬酸、马尿酸盐、尿囊素和二甲胺为模型组共同含有，另外，柠檬酸、肌酸、酮戊二酸、和丙氨酸为烟雾暴露30d时模型组出现的共同差异性代谢物，牛磺酸为烟雾暴露60d时模型组出现的共同差异性代谢物。通过对差异性代谢物的代谢通路分析，得出烟雾暴露对大鼠血浆及尿液的代谢造成一定的影响，涉及甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢途径，牛磺酸和亚牛磺酸代谢途径，糖酵解或糖异生，丙酮酸代谢途径，乙醛酸和二羧酸代谢途径等。
3、与对照组相比，模型组大鼠肺、肝、脾、肾组织中Nrf2及肝、脾脏组织中NF-κBp65在烟雾暴露30d及60d后表达水平均显著上升(p＜0.01)。此外，肺组织中NF-κBp65在NDY-1组和NDY-2组烟雾暴露30d时表达量无明显差异，而烟雾暴露60d时，NF-κBp65的表达水平明显升高(p＜0.01)；肾组织中NF-κBp65的表达仅NDY-3组且烟雾暴露30d时有显著差异(p＜0.01)。
结论：三种基因型烟草的化合物质存在一定的差异，说明基因型是决定烟草化学成分的关键因素之一，其中NDY-1中胆碱、甘氨酸的含量较多，NDY-2中蔗糖、脯氨酸、谷氨酰胺、丙氨酸的含量较多，NDY-3中β-葡萄糖、α-葡萄糖的含量较多。烟雾暴露后可对大鼠血浆及尿液的代谢造成一定的影响，与健康对照组相比，不同模型组中代谢物的变化存在差异，这可能是由于烟草的内源性物质影响了烟雾的化学成分，从而导致了生物学效应不同；此外，血浆中的甘氨酸及尿液中的马尿酸盐、二甲胺、尿囊素可作为COPD的潜在生物标志物。大鼠肺及肺外组织中Nrf2、NF-κp65在烟雾暴露后表达量显著上升，说明香烟烟雾可刺激大鼠机体并可能产生了炎症反应及氧化应激。