目的:通过检测大气PM2.5染毒大鼠血清和尿液代谢组学的变化,分析PM2.5短期暴露对大鼠可能代谢通路的影响,寻找可能的早期生物学标志物,进一步探索大气PM2.5对机体损伤的毒作用机制,为有效防控环境细颗粒物污染对人体造成的损害提供新的理论依据。方法:采暖期在车流量较大的交通路口,采用TH-1000CⅡ型大流量空气颗粒物采样器采样,获取大气PM2.5颗粒物。选取36只健康雄性SD大鼠随机分为对照组(生理盐水1.5ml/kg体质量)、PM2.5低剂量组(1.5mg/kg体质量)、PM2.5中剂量组(6mg/kg体质量)、PM2.5高剂量组(24mg/kg体质量)、PM2.5水溶性成分组(24 mg/kg体质量)和PM2.5非水溶性成分组(24 mg/kg体质量)。采用大鼠气溶胶肺部给药套装,经气管雾化隔天染毒共5次。另选取36只健康雄性SD大鼠随机分为对照组、PM2.51st组,PM2.52nd组,PM2.53rd组,PM2.54th组,PM2.55th组,5个染毒组染毒剂量均为24mg/kg体质量。采用大鼠气溶胶肺部给药套装,隔天染毒,5个组分别染毒1、2、3、4、5次。染毒结束后收集大鼠24小时尿液,乌拉坦麻醉,腹主动脉采血。石蜡包埋、切片、HE染色,观察心、肝、脾、肺、肾组织病理变化。采用BRUKER AVANCEⅢ核磁共振(氢谱1H)检测平台,进行血清和尿液的代谢组学检测。利用Mest ReNova软件解谱,SMICA P11.1分析所得的矩阵,找出差异代谢物。采用HMDB(Human Metabolome Database)和MetPA(Metabolomics Pathway Analyst)数据库,对代谢差异物的代谢通路进行分析。结果:1.病理学改变病理组织切片结果显示,PM2.5染毒低剂量组大鼠出现肺泡腔皱缩,中、高剂量组、水溶性成分组、非水溶性成分组均呈现肺间质淋巴细胞浸润,肺泡间隔增大,有炎性渗出物,高剂量组、水溶性成分组、非水溶性成分组出现肺泡腔闭合。pm2.5染毒低、中、高剂量组、水溶性成分组大鼠均可见心肌细胞肥大,非水溶性组可见心肌细胞皱缩。低剂量组肝脏汇管区有淋巴细胞浸润,中、高剂量组、水溶性成分组和非水溶性成分组可见肝细胞脂肪变性,中剂量组和高剂量组可见炎性渗出物。中剂量组肾小管扩张,高剂量组肾小球较饱满,水溶性成分组的肾小球囊间隙消失。各组大鼠的脾脏未见异常。pm2.5染毒两次及以上的大鼠肺间质有炎性细胞浸润和炎性渗出物,染毒四次及以上的大鼠出现肺泡腔皱缩。pm2.5染毒三次及以上大鼠均可见心肌细胞肥大、肝脏汇管区有淋巴细胞浸润、肝细胞脂肪变性,染毒五次大鼠肝脏可见炎性渗出物、出现肾小管扩张。各组大鼠的脾脏未见异常。2.大气pm2.5染毒大鼠血清代谢组学变化与对照组比较,低剂量组大鼠血清中的二甲基甘氨酸的相对含量显著升高,3-羟基丁酸、o-乙酰糖蛋白、肌酸、肌酐的相对含量显著降低,但相关的代谢通路的结果差异无统计学意义(impact<0.10);中剂量组大鼠血清中的l-乳酸、n-乙酰糖蛋白的相对含量显著升高,3-羟基丁酸、甘油磷酸胆碱、甜菜碱、牛磺酸、葡萄糖-6-磷酸的相对含量显著降低,主要涉及牛磺酸和亚牛磺酸代谢,缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的生物合成通路;高剂量组大鼠血清中的甘油、异亮氨酸、二甲基甘氨酸、d-乳酸的相对含量显著升高,3-羟基丁酸、甘油磷酸胆碱、甜菜碱、牛磺酸、葡萄糖-6-磷酸、d-葡萄糖、脯氨酸甜菜碱、甘油三酯、α-d-1,6-二磷酸葡萄糖的相对含量显著降低,主要涉及牛磺酸和亚牛磺酸代谢,缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的生物合成,甘油酯代谢途径。pm2.5水溶性成分组血清l-蛋氨酸、异亮氨酸、l-乳酸、甘油磷酸胆碱、二甲基甘氨酸的相对含量显著升高,肌酐、d-葡萄糖、甜菜碱、赖氨酸、肌酸的相对含量显著降低,主要涉及缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的生物合成通路。pm2.5非水溶性成分组血清甘油、异亮氨酸、二甲基甘氨酸的相对含量显著升高,l-乳酸、d-葡萄糖、甜菜碱、牛磺胆酸、葡萄糖-6-磷酸、赖氨酸、α-d-1,6-二磷酸葡萄糖的相对含量显著降低,主要涉及缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的生物合成,甘油酯代谢通路。时效研究结果显示,与对照组相比,1st组大鼠血清中的3-羟基丁酸、乙酰乙酸、牛磺酸、葡萄糖-6-磷酸、甘油三酯的相对含量显著升高,异亮氨酸、二甲基甘氨酸、d-乳酸的相对含量显著降低;2nd组血清3-羟基丁酸、甘油磷酸胆碱、氧化三甲胺、甜菜碱、牛磺酸、葡萄糖-6-磷酸、甘油-3-磷酸、d-亮氨酸、l-赖氨酸、d-葡萄糖、脯氨酸甜菜碱、α-d-1,6-二磷酸葡萄糖的相对含量显著升高,l-乳酸、n-乙酰糖蛋白、o-乙酰糖蛋白、二甲基甘氨酸、d-乳酸的相对含量显著降低;3rd组l-蛋氨酸、甘油磷酸胆碱、牛磺酸、葡萄糖-6-磷酸、甘氨酸、d-亮氨酸、d-葡萄糖、脯氨酸甜菜碱、α-d-1,6-二磷酸葡萄糖的相对含量显著升高,l-乳酸、异亮氨酸、二甲基甘氨酸、d-乳酸的相对含量显著降低;4th组大鼠血清中的l-蛋氨酸、3-羟基丁酸、乙酰乙酸的相对含量显著升高,l-乳酸、异亮氨酸、二甲基甘氨酸、d-乳酸的相对含量显著降低;5th组大鼠血清中的甘油、异亮氨酸、二甲基甘氨酸、d-乳酸的相对含量显著升高,3-羟基丁酸、甘油磷酸胆碱、氧化三甲胺、甜菜碱、牛磺酸、葡萄糖-6-磷酸、d-葡萄糖、脯氨酸甜菜碱、甘油三酯、α-d-1,6-二磷酸葡萄糖的相对含量显著降低。以上各组代谢产物的变化均与牛磺酸和亚牛磺酸代谢,缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸代谢有关,除此之外,1st组还主要涉及酮体合成和降解,丁酸酯代谢;2nd、3rd组还主要涉及甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢;4th、5th组还主要涉及甘油酯代谢。3.大气pm2.5染毒大鼠尿液代谢组学研究与对照组比较,低剂量组大鼠尿液中的乙酸乙酯、肌酸、d-葡萄糖、牛磺胆酸、5-羟色胺的相对含量显著升高,马尿酸盐、肌酐、甲基马尿酸的相对含量显著降低,但相关的代谢通路的分析结果差异无统计学意义(impact<0.10),中剂量组大鼠尿液中的甜菜碱、牛磺胆酸的相对含量显著升高,柠檬酸、α-酮戊二酸、马尿酸盐、肌酐、甲基马尿酸的相对含量显著降低,主要涉及乙醛酸、二羧酸代谢和柠檬酸循环;高剂量组大鼠尿液中的肌酸、牛磺胆酸、l-脯氨酰基-l-甘氨酸、尿囊素的相对含量显著升高,柠檬酸、二甲基色胺、α-酮戊二酸、马尿酸盐、肌酐、甲基马尿酸的相对含量显著降低,主要涉及乙醛酸、二羧酸代谢和柠檬酸循环。pm2.5水溶性成分组甜菜碱、牛磺胆酸、l-赖氨酸、尿囊素的相对含量显著升高,α-酮戊二酸、柠檬酸、二甲胺、牛磺酸、马尿酸盐、肌酐、甲基马尿酸的相对含量显著降低,主要涉及牛磺酸和亚牛磺酸代谢,乙醛酸和二羧酸代谢,柠檬酸循环。pm2.5非水溶性成分组牛磺胆酸、l-赖氨酸的相对含量显著升高,柠檬酸、二甲胺、马尿酸盐、肌酐、甲基马尿酸的相对含量显著降低,主要涉及乙醛酸和二羧酸代谢。时效研究结果显示,与对照组相比,1st组大鼠尿液中的甜菜碱、牛磺胆酸、5-羟色胺、二甲基甘氨酸、l-赖氨酸、胍乙酸的相对含量显著升高,乙酸乙酯、琥珀酸、α-酮戊二酸的相对含量显著降低,但相关的代谢通路的分析结果差异无统计学意义(Impact<0.10);2nd组大鼠尿液中的牛磺胆酸、甘氨酰甘氨酸、二乙醇胺、5-羟色胺、二甲基甘氨酸、L-赖氨酸、胍乙酸、尿苷二磷酸葡萄糖、马尿酸盐、尿囊素的相对含量显著升高,乙酸乙酯、肌酸、肌酐的相对含量显著降低,主要涉及戊糖和葡萄糖醛酸相互转化,淀粉和蔗糖代谢;3rd组大鼠尿液中甜菜碱、牛磺胆酸、5-羟色胺、L-赖氨酸的相对含量显著升高,琥珀酸、肌酐的相对含量显著降低,但其代谢通路分析无统计学意义(Impact<0.10);4th组大鼠尿液中L-乳酸、丙酮酸、牛磺胆酸、5-羟色胺、胍乙酸的相对含量显著升高,琥珀酸、肌酸、马尿酸盐、肌酐、甲基马尿酸的相对含量显著降低,但其代谢通路分析无统计学意义(Impact<0.10);5th组大鼠尿液中牛磺胆酸、L-脯氨酰基-L-甘氨酸、尿囊素的相对含量显著升高,柠檬酸、二甲基色胺、α-酮戊二酸、马尿酸盐、肌酐、甲基马尿酸的相对含量显著降低,主要与乙醛酸和二羧酸代谢、柠檬酸循环有关。结论:通过剂量反应关系、时效关系研究得出,大气PM2.5主要可导致:大鼠血清牛磺酸、葡萄糖-6-磷酸、D-葡萄糖、甘油磷酸胆碱、脯氨酸甜菜碱显著降低,并有剂量反应和时效关系,异亮氨酸和二甲基甘氨酸显著升高,有剂量反应关系但无时效关系;主要影响的代谢通路有:牛磺酸和亚牛磺酸代谢,缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的生物合成,甘油酯代谢,酮体合成和降解,丁酸酯代谢,甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢。大气PM2.5主要可导致:大鼠尿液马尿酸盐、肌酐、甲基马尿酸显著降低,并有剂量反应和时效关系,肌酸显著升高,有剂量反应关系但无时效关系;主要影响的代谢通路有:乙醛酸和二羧酸代谢,柠檬酸循环,牛磺酸和亚牛磺酸代谢,戊糖和葡萄糖醛酸相互转化,淀粉和蔗糖代谢。本课题为山西省优势和特色重点学科建设项目―山西省特征大气污染及健康损害的预防控制‖。