文摘
背景室内微生物暴露与哮喘有关,但室内代谢物和化学物质对健康的影响还没有全面评估。
方法我们从24初中教室粉尘收集在马来西亚在地理上与三个方面(新山市,Terengganu和槟城),和文化无关高通量微生物和没有针对性进行代谢组学/化学分析。
结果对1290名学生进行了调查哮喘症状(喘息)。在每个中心,我们发现学校,喘息发生率显著变化可以解释为个人特征和空气污染物。大规模观察微生物变化之间的三个中心;门的潜在保护细菌主要是放线菌在新山市,蓝藻在槟榔屿Terengganu和变形菌门。总的来说,2633种代谢物和化学特征。在low-wheeze学校许多代谢产物丰富,包括植物次生代谢物类黄酮/ isoflavonoids (isoliquiritigenin,芒柄花黄素、黄芪甙)、吲哚和衍生品(吲哚,血清素,1H-indole-3-carboxaldehyde),和其他(生物素,对烯丙基苯酚)。神经网络分析表明,吲哚衍生物共病的潜在保护微生物类群,包括Actinomycetospora,侧生藻属和Truepera,这表明这些微生物可能造成的健康影响通过释放吲哚代谢物。一些合成化学物质丰富high-wheeze学校,包括杀虫剂(2 (3H)-benzothiazolethione),香水(2-aminobenzoic酸、异戊酸)、洗涤剂、塑料(邻苯二甲酸)和工业材料(4 4-sulfonyldiphenol)。
结论这是第一个研究协会之间的高通量室内化学分析和哮喘的症状。三个中心的一致的结果表明,室内代谢物/化学物质可能是一个更好的指标比室内微生物对环境和健康评估,为哮喘预测提供新的见解,预防和控制。
文摘
天然代谢物(植物的黄酮类化合物和isoflavonoids micro-organism-derived吲哚和衍生品)和室内环境中人工合成化学物质对哮喘症状的发展很重要。https://bit.ly/3wjfC8g
介绍
哮喘是一种常见的过敏性慢性呼吸道疾病,影响了全世界超过3.5亿名患者。哮喘症状的患病率(喘息和吹口哨)> 30%在许多国家,包括澳大利亚、爱尔兰和英国,对公众健康构成严重的威胁(1]。流行病学研究表明,哮喘和过敏症的发生主要是受到环境暴露的影响,包括空气污染,环境过敏原和微生物2- - - - - -4]。一个引人注目的现象是,哮喘的患病率显著降低儿童成长在农业或农村比城市地区5]。随后的研究表明,室内微生物暴露是变化的驱动因素6]。研究在芬兰,德国,马来西亚和中国还证实室内微生物免疫调制的重要性和疾病发展(7- - - - - -10]。然而,是具有挑战性的理论进步转化为实际应用,如建筑室内环境评估和疾病的微生物指标预测。这是因为室内微生物的多样性非常高。地球上微生物物种的总数大约是1万亿11]。此外,室内微生物组显示了极高的地理多样性。不同的室内微生物和health-associated微生物特征在不同的地理区域(7- - - - - -10]。几乎是不可能找到一组一致的全球健康相关的物种,使固体室内microbiome-health推理。因此,另一个环境评估指标是必要的。
室内代谢物和化学品环境评估可能是一种潜在的替代。每个细菌和真菌生物可以成千上万的代谢产物释放到每小时的生活环境,影响居住者的健康。公共卫生相关代谢物包括脂多糖(LPS),胞壁酸和微生物挥发性有机化合物(MVOCs) [12,13]。然而,先前的研究文化相关的或低吞吐量的方法用于描述一组小的目标从微生物化学风险敞口。没有研究使用了高通量没有针对性的方法分析综合室内代谢物和化学物质。因此,代谢物的整体图片/室内环境中的化学物质尚不清楚。也没有研究进行multi-omic室内微生物和代谢物之间的分析来识别潜在的微生物代谢产物的来源。
在这项研究中,我们调查了1290名初中学生在新山市,Terengganu和哮喘的症状在马来西亚槟城,和教室粉尘收集文化无关高通量微生物和没有针对性的化学分析。我们旨在描述室内代谢/化学暴露和发现与健康相关的微生物的关系。同时,我们比较了环境化学模式在多个中心和测试它是否能成为一个更好的比室内微生物暴露评估指标。
材料和方法
研究设计和健康数据
我们进行教室粉尘采样和健康调查在马来西亚在三个方面:新山市,Terengganu和槟榔屿。显示在位置补充图S1。在每个中心,8个初中(每个学校的四个教室)随机选择粉末取样。在马来语在每个类、健康问卷被送到15 - 14岁的学生。卫生问题是获得国际儿童哮喘和过敏的研究(14),包括一个哮喘症状的问题:“在过去的12个月里,你有气喘或吹口哨的胸部,当你没有感冒或流感?”。个人信息收集,包括年龄和性别。参与者没有关于环境数据和样本收集相关信息。研究设计和协议是医学研究和伦理委员会批准马来西亚国立大学(马来西亚雪兰莪州)。从所有参与者获得知情同意。
粉尘采样和测量环境特征
我们教室粉尘采样地板,桌子,椅子,书架和窗帘用吸尘器在新山市和Terengganu [7,15]。真空过程维持在4分钟:在地板上2分钟,2分钟以上其他表面地板上水平,包括学生课桌,椅子,书架和窗帘。粉尘收集在一个取样器(ALK-Abello,哥本哈根,丹麦)的过滤孔隙大小6µm。在学校在槟城,我们收集了灰尘的顶架黑板用金属勺子。用吸尘器吸尘,尘埃已筛细粉尘通过金属筛网(孔径0.3毫米)。粉尘是存储在一个冰箱在−80°C。
室内相对湿度和二氧化碳被Q-Trak测量室内空气质量监控(美国TSI、圣保罗、锰)。室内二氧化氮被扩散采样器采样从IVL瑞典环境研究(瑞典哥德堡)。
高通量扩增子测序
细菌和真菌扩增子序列是由使用尘埃样本。总之,微生物总DNA提取从10毫克细粉尘的E.Z.N.A.土壤DNA工具包(D5625-01;ωBio-Tek,美国佐治亚州诺)和DNA旋转工具(MP生物医学,圣安娜、钙、美国)。DNA质量评估NanoDrop nd - 1000分光光度计(热费希尔科学、沃尔瑟姆,妈,美国)和琼脂糖凝胶电泳。细菌16 s rRNA基因和真菌内部转录间隔区区域放大,和sample-specific条形码序列中加入图书馆准备步骤。的扩增子被Illumina公司MiSeq测序,PacBio平台。原始序列数据被存入QIITA微生物研究管理平台(https://qiita.ucsd.edu;12875)和基因组序列存档(https://ngdc.cncb.ac.cn/gsa;CRA002825、CRA002876 CRA005646和CRA005647) (16]。绝对的细菌和真菌浓度被定量量化与通用引物PCR (15]。
分析化合物在课堂灰尘
化合物在课堂灰尘被没有针对性评估液体色谱-光谱法(质)(BioNovoGene、苏州、中国)。10毫克粉尘添加到0.6毫升2-chlorophenylalanine在甲醇和离心机12在4°C 000转10分钟。300年μL上层清液0.22μm过滤膜。色谱分离是由Acquity UPLC高速钢T3列(2.1×150毫米,1.8μm;美国水域,米尔福德,MA)在40°C流量为0.25毫升·分钟−1。击败高效液相色谱系统问Exactive HF-X混合quadrupole-orbitrap质谱仪用于质检测(热费希尔科学)。电喷雾电离作用实验女士进行喷涂电压为3.5 kV和−2.5 kV积极和消极的模式。护套和辅助气体和毛细管温度设定为30 - 10任意单位和325°C。扫描分析仪的质量范围米/z81 - 1000的质量分辨率60 000。化学物质被反对mzCloud搜索(注释www.mzcloud.org人类代谢组数据库(),www.hmdb.ca),蒙纳(https://mona.fiehnlab.ucdavis.edu),METLIN (https://metlin.scripps.edu)和MassBank (www.massbank.jp)。
结果
哮喘症状患病率在三个中心在马来西亚
总共1290名初中学生从柔佛巴鲁Terengganu和槟榔屿哮喘症状调查/喘息。三个中心位于南方,东北和西北马来西亚(补充图S1),八个初中学校在每个中心随机选择。我们发现了大规模的哮喘症状的患病率的变化在新山市的学校中,Terengganu和槟榔屿(p = 0.0007, p = 0.0004, p = 0.002) (表1)。例如,喘息的患病率为12.7%,20.0%,14.3%,29.9%,8.9%,8.7%,5.6%和9.1% Terengganu 8所学校。在每一个中心,四大学校被定义为“high-wheeze”学校和底部4所学校被定义为“low-wheeze”学校。
我们进一步探讨个人和环境特征,可以解释哮喘症状的变化在学校。学生的年龄和性别高和low-wheeze学校没有差异(p > 0.05, Mann-Whitney测试)。室内的环境特征,包括温度、相对湿度和二氧化碳浓度,相似的三个中心(表2)。室内二氧化氮浓度较低在Terengganu比在柔佛巴鲁和槟榔屿。中心,这些环境特征高和low-wheeze学校没有差异(p > 0.05),未能解释哮喘症状的变化。
室内微生物丰富的三个中心和高/ low-wheeze学校
高通量测序应用于描述丰富的室内微生物在新山市,Terengganu和槟城(补充表S1-S8)。我们发现强有力的地理变异在室内细菌和真菌在中心。例如,细菌属Ralstonia,Ochrobactrum和Craurococcus丰度高(分别为7.8%、2.7%和1.3%)在槟城,但提出了低丰度在新山市和Terengganu(0%, 0.06%, 0.02%和0.42%,0.05%和0.74%,分别)(补充表S7)。真菌属Wallemia和假丝酵母在新山市丰度高和Terengganu(分别为6.6%和12.2%,1.3%和1.8%),但在低丰度在槟榔屿(分别为0.06%和0.03%)(补充表S8)。常见的模具种类青霉菌和枝孢属只在新山市丰度高(分别为10.2%和7.8%)。镰刀菌素出现在高丰富Terengganu但不是在新山市和槟榔屿(2.9%与0.3%和0.009%)。曲霉属真菌存在于所有中心的丰度高(分别为20.7%、12.7%和12.1%)。
我们进一步探讨潜在的室内微生物富集高/ low-wheeze学校在每一个中心。在新山市,15细菌类群丰富low-wheeze学校和超过一半来自门放线菌,包括Rubrobacter,放线菌,Blastococcus,Janibacter,Actinomycetospora,Pseudokineococcus和Marmoricola(图1和补充图S2)。然而,在Terengganu,细菌富含low-wheeze学校主要来自门蓝藻,包括Chroococcidiopsis,侧生藻属,Mastigocoleus和Iphinoe。在槟城,细菌富集在low-wheeze学校主要从门变形菌门,包括茎菌属,Bosea,Acidovorax,Undibacterium和uncharacterised _Sphingomonadaceae(加州大学)。结果表明,不同的中心有一组独特的潜在保护细菌类群。的细菌类群丰富high-wheeze中心学校也不一。Catellicoccus和Ignatzschineria在新山市丰富high-wheeze学校,Methylobacterium,芽孢杆菌,Sphingomonas和Pantoea在Terengganu浓缩,然后呢Roseomonas在槟榔屿(丰富补充图S2)。门的潜在保护真菌类群是子囊菌类和担子菌类(图1)。
定量PCR也在新山市和Terengganu进行(S9 / S10补充表)。室内细菌和真菌的绝对浓度高和low-wheeze学校没有差异(p > 0.1, t检验)。
潜在的保护与微生物代谢产物和协会
总的来说,2633种化学物质被质特征。地理模式也观察到的化合物(补充图S3)。室内化学成分在新山市,Terengganu槟城所在地,分别在右边,左上角和左下角的祝圣礼情节(补充图S3b)。然而,一般规则也被观察到。三个类代谢物的几乎全部浓缩在low-wheeze学校(p < 0.01,错误发现率(罗斯福)< 0.1,褶皱变化> 2),包括类黄酮、isoflavonoids,和吲哚和衍生品(表3和图1)。类黄酮和isoflavonoids植物次生代谢物的重要类,普遍存在于各种植物,水果和蔬菜。三个类黄酮和isoflavonoids浓缩在两个或两个以上的中心,包括isoliquiritigenin、芒柄花黄素和6-hydroxydaidzein。其他类黄酮代谢产物,包括黄芩苷、黄芪甙tangeritin,大豆苷,毛地黄黄酮和原花青素B2,浓缩在一个中心(表3)。吲哚类和衍生品形式常见的小信号分子在微生物、植物和动物。5 -羟色胺和indole-3-carboxaldehyde浓缩在两个或两个以上的中心,和吲哚l色氨酸,1H-indole-3-acetamide和indolepyruvate浓缩在一个中心。黄酮类化合物的显式浓缩和吲哚衍生物的尘埃low-wheeze学校表明他们的潜在的抗炎和抗过敏药效果。神经网络分析表明,吲哚及其衍生物与许多潜在的保护微生物类群,共病等l色氨酸与Actinomycetosporauc_Corynebacteriacea,N-acetylserotonin和吲哚Truepera、吲哚与uc_Pleosporaceae 5-methoxyindoleacetate侧生藻属。结果表明,这些微生物可能产生这些代谢物。文献检索表明,Actinomycetospora和侧生藻属有能力生产吲哚衍生物[24,25),支持在网上协会的结果。
其他潜在的保护代谢物也确认,包括生物素,对烯丙基苯酚,芽子碱,dihydrocortisol,等。(图2),属于不同的代谢类。生物素与许多保护细菌密切相关,包括放线菌,副球菌和Sphingomonas。文献检索的实验表明,这些类群可能产生生物素(26- - - - - -28),与同现分析一致。
潜在风险的化学物质都是人工合成的化学物质
潜在风险环境化学物质被定义为物质显著富集high-wheeze学校(p < 0.01,罗斯福< 0.1,褶皱变化> 2)。一个(2 (3H)-benzothiazolethione)、一(2-aminobenzoic酸)和三(异戊酸、邻苯二甲酸和4 4-sulfonyldiphenol)危险化学品的特征是在新山市,分别Terengganu和槟榔屿。这些化学物质包括杀虫剂、清洁剂、香水和工业材料(表4)。gh分类为危险化学品;不良健康影响包括皮炎、过敏、炎症、眼睛和呼吸道刺激。探测到更多危险化学品在槟城,这或许可以解释总体盛行的哮喘症状而新山市。
讨论
这是第一个研究使用高通量的诸多方法概要室内化学暴露和哮喘。天然代谢物,包括微生物和植物代谢物,对哮喘、防护和合成化学物质,包括农药、洗涤剂、工业溶剂,是哮喘的危险因素。也,这是第一个研究评估室内微生物及代谢产物之间的相互作用,揭示室内微生物可能产生保护性的代谢物。此外,三个中心在马来西亚拥有大量地理分离来支持我们的调查结果和结论。我们发现大型室内微生物变异,表明整体不同微生物暴露在每个中心。然而,一般规则是观察室内的化合物。植物类黄酮代谢物和isoflavonoids吲哚衍生物和微生物代谢产物显示潜在的保护作用,而合成化学物质显示不良的健康影响。结果表明,室内化学物质可能是一个更可靠的和一致的指标在暴露评估哮喘。
本研究也有局限性。首先,收集到的灰尘在新山市和Terengganu吸尘灰尘地板,桌子,桌子,书架和窗帘,而收集到的灰尘在槟榔屿黑板框架,这可能会产生抽样偏差。然而,我们认为,这两种方法应该具有可比性。书架,窗帘和黑板框架很少或从来没有在这些教室清洁,因此这两种方法收集代表长期接触粉尘。第二,我们应用第二代扩增子测序在这项研究中,只有解决在属级分类解析。第三,只有标志基因测序,功能基因的丰度和健康协会无法评估。然而,我们的研究异形室内微生物代谢产物,提供更直接的证据比功能基因代谢风险评估。
与多酚类黄酮和isoflavonoids植物次生代谢物的结构。黄酮类化合物存在于许多植物和植物的食物,和isoflavonoids主要是大豆和豆科植物(29日]。类黄酮和isoflavonoids抗炎,抗氧化,抗癌和抗过敏药属性对于人类和动物(表3)。几类黄酮发现哮喘在以前的研究显示保护作用。例如,isoliquiritigenin抑制白介素(IL) 4和IL-5以剂量依赖性的方式生产在体外(30.),黄芪甙降低il - 4, IL-5和IL-13水平和抑制小鼠嗜酸性粒细胞浸润31日]。此外,芒柄花黄素减轻肺部炎症和细胞因子水平,减少氧化应激在ovalbumin-sensitised小鼠模型(32]。然而,以往的研究主要是报道类黄酮对健康的影响和isoflavonoids在实验室动物和细胞系。这是第一个研究来显示自己的有利影响是吸入暴露人群,提供一个新颖的视角呼吸道疾病。
吲哚和衍生品形式一群芳香杂环有机化合物广泛分布于细菌、植物和动物(33]。吲哚对健康的影响主要是研究在人类肠道中,很少有研究环境微生物。各种各样的肠道微生物可以产生吲哚和衍生品,包括梭状芽胞杆菌的新世界,大肠杆菌,梭菌属,粪肠球菌和棒状杆菌属曼秀雷敦(34,35]。吲哚和衍生品可以改善人类肠上皮屏障的完整性,减少肠道炎症通过减少炎性NF-κB和增加抗炎细胞因子il - 10的表达(36]。Indolepyruvate和indole-3-acetamide被当成潜在的保护代谢物在我们的研究中。在人类肠道的研究中,这些吲哚衍生物可以激活芳基碳氢化合物受体基因的表达(37),抗炎作用阻断炎性t细胞在哮喘发展(38]。吲哚代谢物的吸入暴露可能会有一个类似的机制通过激活芳基碳氢化合物的受体在肺和呼吸道。
除了类黄酮素和吲哚,生物素和胡椒酚low-wheeze学校丰富。生物素,B7维生素,是人类不可或缺的营养物质。前一个室内宏基因组调查报道,更高的丰富的生物素代谢途径与病态建筑综合症的患病率较低(39]。胡椒酚是一种天然phenylpropene中发现Piper betle,是用于中国和印度的传统草药。胡椒酚类似物可以减弱interferon-γ辅助细胞中表达,和调节炎症和免疫反应40在减少哮喘的症状),支持他们的角色。
只有少数物质明显丰富high-wheeze学校后消除毒品和常见的人类和植物代谢产物,和他们都是人工合成的化学物质,包括农药、油漆、香水和工业溶剂。据报道,邻苯二甲酸酯暴露与哮喘。43个研究的荟萃分析报道,邻苯二甲酸苄酯儿童哮喘的几率增加了39 - 41% (41]。家庭调查在中国也报道,高浓度的邻苯二甲酸酯增加儿童哮喘诊断(42]。其他潜在危险化学品不报道科学出版物与哮喘,但gh分类,由联合国指出,这些化学物质可能有不良的健康影响,包括皮炎、过敏和呼吸道刺激。因此,未来的环境和哮喘流行病学调查也应该考虑这些化学物质。
以前的室内代谢物研究主要由低吞吐量的方法调查了微生物代谢产物。一个葡萄酒等。(12)和C海等。(43)报道,许多MVOCs与哮喘和鼻炎呈正相关。在我们的研究中,只有三个MVOCs(乙酸龙脑酯,2-heptanone和草蒿脑)在真空中发现灰尘,没有一个显著富集高/ low-wheeze学校。很可能大部分挥发性化学物质不能检测到真空粉末取样。总LPS浓度似乎主要保护地与哮喘相关(44]。胞壁酸与哮喘相关报道是积极的还是消极的(45,46]。在这项研究中,诸多质还发现胞壁酸和有限合伙人(十三酸、羟基十六烷酸、肉豆蔻酸),但没有达到意义后,罗斯福调整。
结论
在这项研究中,我们发现大规模变化的微生物组成和与健康有关的微生物在三个中心在马来西亚。这可能是由于极高的环境微生物的多样性11]。因此,挑战使用室内微生物组合来构建一个通用参考目录健康评估和疾病预测。然而,室内化合物协会观察一致,建议他们可以作为一个环境评估指标疾病预测提供新的见解和疾病预防与控制策略。
补充材料
可共享的PDF
脚注
利益冲突:作者披露没有利益冲突。
支持声明:研究由广东省自然科学基金(2020 a1515010845和2021 a1515010492)和广州的科技项目(202102080362)。资金信息,本文已沉积的Crossref资助者注册表。
- 收到了2022年2月8日。
- 接受2022年5月8日。
- 版权©2022年作者。
这个版本分布在创作共用署名非商业性许可证的条款4.0。商业生殖权利和权限接触权限在}{ersnet.org