新污染物前沿合作系列（七） | 有机磷酸酯暴露的人群代谢谱分析与2型糖尿病风险

近年来，2型糖尿病（T2DM）在全球范围内流行态势严峻，约占全球糖尿病总病例的96%。除了传统的饮食和生活方式因素外，长期环境污染物暴露对糖尿病发生发展的影响日益受到学界重视。

近日，中国科学院生态环境研究中心环境化学与环境毒理全国重点实验室联合岛津中国创新中心等多家单位，在环境科学领域权威期刊《Journal of Hazardous Materials》上发表了题为《Metabolite profiling of organophosphate ester exposure and type 2 diabetes mellitus risk: A metabolomics study in an epidemiological setting》的研究论文。

该研究基于病例对照的人群流行病学设计，利用非靶向、拟靶向与靶向代谢组学相结合的手段，探讨了有机磷酸酯（OPEs）内暴露与2型糖尿病风险之间的关联及其潜在代谢物的中介效应。

01 研究背景

随着多溴二苯醚在国内外受到严格限制，有机磷酸酯（OPEs）作为替代阻燃剂被广泛应用于各类工业和消费品中，导致其在环境、生物体和人体中普遍存在。既往流行病学研究提示，某些OPEs的暴露与葡萄糖稳态受损有关。然而，在人群水平上，OPEs暴露与T2DM风险之间的关联及对代谢物的潜在影响依然缺乏系统性证据。

代谢组学作为表征机体对环境暴露响应的敏感工具，能够为揭示相关生物学机制提供重要视角。为此，本研究招募了144名T2DM患者及144名健康对照组，对受试者血清样本中的11种OPEs及其代谢轮廓进行全景式分析。

02 实验设计与技术路线

在血清等复杂生物基质中，同步实现痕量环境污染物的高灵敏定量与代谢物的全面覆盖，仍是目前仪器分析面临的重要挑战。在本研究中，岛津为OPEs靶向定量、人体血清中非靶向代谢组学、拟靶向代谢组学及靶向代谢组学提供了全面的整体解决方案：

OPEs目标物靶向分析

采用高效液相色谱-三重四极杆质谱（LCMS-8050）测定血清中11种OPEs。样品经复合柱净化，内标法定量。方法检出限（MDL）按空白3倍标准差计算，加标回收率在54%–113%之间。每个分析批次均设置程序空白与仪器空白，以控制背景污染。

非靶向代谢组学及拟靶向代谢组学

利用超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱（LCMS-9030）进行非靶向代谢组学分析。分别采用亲水相互作用色谱柱（HILIC）与反相C18色谱柱两种分离模式，每种模式分别在正、负离子电喷雾（ESI）下采集数据。全扫描范围 m/z 60–1200，数据依赖型MS/MS采集 m/z 25–1200，碰撞能量梯度优化（5–60 V，步长5 V）。

原始数据经Met4DX提取峰。候选MRM离子对由MRM-Ion Pair Finder自动筛选，并转移至LCMS-8060，在相同LC条件下建立拟靶向方法。

代谢物注释依托MetDNA平台（中国科学院上海有机化学研究所朱正江研究员团队开发）进行分级注释（Level 1~3.1）。该平台为本研究代谢特征的结构鉴定提供了关键支撑。

靶向代谢组学

采用气相色谱-三重四极杆质谱（GCMS-TQ8050NX）对640种低分子量代谢物（糖、氨基酸、有机酸、脂肪酸等）进行靶向分析。血清样品经甲醇/乙腈（1:1）提取，衍生化后（氧化+硅烷化），在DB-5毛细管柱上分离，MRM模式采集。

质控与数据处理

批内质控：每个分析批次设置Pooled QC样品（病例组与对照组分别混合），每10个样品后插入QC及空白。

内标校正：所有样品加入同位素内标及保留时间校正标准品。

特征过滤：保留在QC中RSD<30%、信号强度>1000、信噪比>3，且每组检出率≥50%的特征。

归一化：总和归一化、对数转换、均值中心化。

最终获得458个高质量代谢物特征用于后续统计分析。

03 研究结果

OPEs暴露水平与T2DM风险关联

T2DM组血清Σ11OPEs中位浓度（11 ng/mL）显著高于对照组（5.3 ng/mL）。氯代OPEs（TDCPP、TCPP）在两组中均为主要组分，且病例组中各OPEs同系物水平均高于对照组。

基于Firth惩罚的条件逻辑回归及BKMR模型分析，TDCPP、TBEP、TCPP与T2DM风险呈显著正相关，是混合暴露中的主要贡献者。其中，TDCPP每IQR增量的OR值为10.0（95% CI: 6.0–17），TBEP为6.7（3.7–12），TCPP为6.0（3.7–9.6）。

图1 两组中11种OPEs的浓度分布、百分比组成及同系物间相关性

代谢物筛选

通过全代谢组关联分析（MWAS）及中间相遇分析（MITM），共筛选出53种代谢物同时与关键OPEs（TDCPP、TCPP、TBEP）显著相关且在T2DM病例-对照组中存在显著差异。其中47种代谢物在T2DM组中水平显著降低、6种显著升高。

代谢物类别包括

氨基酸及类似物：12种（如甘氨酸、正缬氨酸、肌氨酸）

脂质及脂质样分子：17种（包括LysoPEs、EPA、DHA、AA等）

碳水化合物及缀合物：11种

能量代谢物：7种（如酮戊二酸、乳酸）

其他：6种

代谢物的中介效应

中介效应分析发现了多个关键中介代谢物。以LysoPE(P-18:1(9Z)/0:0)为例，其介导了TBEP与T2DM关联的59%，以及TCPP与T2DM关联的35%。其他显著中介代谢物包括LysoPE(P-16:0/0:0)、LysoPE(P-18:0/0:0)、1,5-脱水葡萄糖醇（1,5-AG）、二十碳五烯酸（EPA）和花生四烯酸（AA）。

这些代谢物与OPEs暴露呈负相关、在T2DM组中普遍降低，与胰岛素分泌受损、β细胞功能下降及脂代谢紊乱的已知机制一致。

图2A OPEs、代谢物与T2DM之间的关联网络

图2B 各代谢物的中介比例

通路富集分析

利用MetaboAnalyst 6.0（KEGG人类通路库）对上述53种共关联代谢物进行通路富集分析，共识别出8条代谢通路在OPE暴露与T2DM中均发生显著扰动，分别为：半乳糖代谢；甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢；花生四烯酸代谢；丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢；乙醛酸和二羧酸代谢；硫辛酸代谢；柠檬酸循环（TCA循环）；以及糖酵解/糖异生。

其中，丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢，以及甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢是环境污染物调控T2DM发病机制的关键节点。TCA循环和糖酵解/糖异生是T2DM病理生理的核心通路。硫辛酸代谢通路仅与TCPP暴露相关，可能通过影响β细胞功能、葡萄糖摄取和抗氧化活性参与T2DM进程。

从暴露-通路关联广度来看，TCPP与上述8条通路中的绝大多数相关，影响范围最广；TDCPP和TBEP次之。硫辛酸代谢为TCPP所特有，提示不同类型OPEs可能通过部分重叠但又各有侧重的代谢网络影响T2DM风险。

图3 通路-代谢物-OPEs的关系网络

04 结论

本研究基于人群病例-对照样本，整合OPEs暴露组与血清代谢组，系统揭示了TDCPP、TBEP、TCPP三种OPEs与T2DM风险的显著关联，并发现了LysoPEs、1,5-AG、PUFAs等潜在中介代谢物及8条关键扰动通路。研究为环境新污染物OPEs的代谢健康效应提供了直接的人群证据，也为后续毒性机制研究指明方向。

岛津中国创新中心将继续致力于深耕分析质谱技术在环境健康、临床转化及代谢组学前沿研究中的应用，为基础科研与公共卫生事业提供坚实可靠的分析利器。

文中所涉方案及产品非医疗用途，仅供科研研究参考