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背景
环境砷暴露是全球范围内面临的重要公共卫生学问题之一。近年来，随着大量的矿产资源被过度开采、高砷地下水或含砷工业废水被用于农业灌溉和含砷农药的广泛使用等，导致许多地区的土壤和水体中均已检测出无机砷严重超标或残留。据估计，全球超过2亿人长期暴露于饮用水砷浓度高于世界卫生组织规定的安全标准（10μg/L），包括孟加拉国、印度、加拿大以及美国在内的五大洲近70个国家。砷是重要的环境毒物和致癌物质，可导致多种健康问题，如皮肤病变、神经系统疾病、糖尿病、心血管疾病和多个器官系统恶性肿瘤等。皮肤损伤是慢性砷暴露的首要可见症状，通常在暴露数年之后发生，其特征是色素代谢异常和/或掌趾角化及皮肤癌等，虽治疗棘手但可预防。慢性砷暴露所致皮肤损伤的流行在中国、孟加拉国和伊朗等地均有报道，已被公认为慢性砷中毒的一个特异性表现。
氨基酸在机体新陈代谢中扮演着重要的角色，有助于维持正常的细胞结构、功能和健康，且部分氨基酸是机体所必需的营养信号，对于了解相关疾病的发生发展具有重要的提示功能。研究发现，环境砷暴露会引起氨基酸代谢紊乱，导致体内氨基酸水平出现异常变化，间接反映了遗传、表观遗传和各种外界刺激对转录组，蛋白质组和重要酶活性的影响，且与机体病理生理状态密切相关。适时开展氨基酸代谢物水平的检测和评估研究，有助于及时了解机体的健康状态，可在疾病的早期预警和早期识别，以及进一步理解其发生发展的代谢机制中发挥重要作用。
目的
1.基于代谢组学技术筛选出砷致皮肤损伤的敏感性特异氨基酸生物标志物；
2.深入探讨血清特定氨基酸代谢物与砷致皮肤损伤的相关性，并评估其用于砷致皮肤损伤早期识别的能力和可行性，为有效预防和控制慢性砷中毒提供新思路。
方法
基于项目组前期“叶酸降砷疗效的随机双盲、安慰剂对照临床试验研究（临床试验注册号：NCT02235948）”数据，采用病例对照研究设计，从入选的450名慢性饮水型砷暴露人群中选择具有砷致皮肤损伤者作为病例组（n=69），在余下人群中按照年龄相近（±1岁）和性别相同的原则进行1：1匹配作为对照组，最终获得56对病例和对照进入后续分析。（1）基于超高效液相色谱-四级杆-飞行时间质谱（UPLC-QTOF-MS）系统，完成血清代谢组学检测；（2）采用MassLynxV4.1软件对谱图进行包括峰识别、峰提取和滤噪等预处理；（3）使用在线软件Metaboanalyst4.0（https://www.metaboanalyst.ca/）对各代谢物峰强度数据进行清洗，包括归一化、标度化和缺失值的处理等；（4）采用主成分分析、偏最小二乘判别分析、正交偏最小二乘判别分析和单变量分析等完成差异代谢物的筛选；（5）鉴定差异代谢物并选择其中的氨基酸进行研究；（6）采用局部加权回归散点平滑法（LOESS），拟合各氨基酸代谢物水平与砷致皮肤损伤的关系曲线，多元条件Logistic回归模型探索不同氨基酸与疾病之间的关联性；（7）使用受试者工作特征曲线（ROC）评估其用于砷致皮肤损伤早期识别的能力和可行性；（8）对各氨基酸使用ROC曲线确定的最佳切点进行分组，多元Logistic回归模型探讨不同氨基酸之间的联合作用与砷致皮肤损伤的关联性，并分别探讨其相加和相乘交互作用。
结果
1.代谢组学数据分析筛选出3种组间差异氨基酸代谢物，分别是血清L-色氨酸（Typ）、L-苯丙氨酸（Phe）和苯丙氨酰苯丙氨酸（Phe-Phe）；
2.LOESS分析结果显示，随着血清Typ、Phe和Phe-Phe水平的升高，砷致皮肤损伤患病的可能性明显下降；多元条件logistic回归分析发现，Typ、Phe和Phe-Phe与砷致皮肤损伤间存在负相关关系，且呈现出明显的剂量-反应关系（P<0.05）；
3.ROC分析结果显示，血清Typ、Phe和Phe-Phe均可用于砷致皮肤损伤的识别，三者联用的曲线下面积[AUC（95％CI）]、灵敏度、特异度、阳性预测值和阴性预测值分别为0.73（0.63-0.82）、76.79%、62.50%、69.64%、67.19%；
4.不同血清氨基酸水平的联合作用与砷致皮肤损伤存在明显的关联性，其中Typ和Phe水平同时较高者出现砷致皮肤损伤的可能性是两者均低人群的0.08倍[OR=0.08，95%CI=（0.02，0.25）]；Typ和Phe-Phe水平同时较高者存在砷致皮肤损伤的机会是两者均低者的0.11倍[OR=0.11，95%CI=（0.03,0.40）]；Phe和Phe-Phe水平同时较高者发生砷致皮肤损伤的可能性是两者均低者的0.18倍[OR=0.18，95%CI=（0.07,0.50）]，但上述氨基酸之间的一级交互作用（相加和相乘）均未达到统计学显著性水平。
结论
血清Typ、Phe和Phe-Phe水平与慢性饮水型砷暴露人群的砷致皮肤损伤存在明显的关联性，并可作为敏感性特异生物标志物用于砷致皮肤损伤的早期识别。本研究结果可为慢性砷中毒新型预防和控制策略的制定提供新思路。
环境砷暴露是全球范围内面临的重要公共卫生学问题之一。近年来，随着大量的矿产资源被过度开采、高砷地下水或含砷工业废水被用于农业灌溉和含砷农药的广泛使用等，导致许多地区的土壤和水体中均已检测出无机砷严重超标或残留。据估计，全球超过2亿人长期暴露于饮用水砷浓度高于世界卫生组织规定的安全标准（10μg/L），包括孟加拉国、印度、加拿大以及美国在内的五大洲近70个国家。砷是重要的环境毒物和致癌物质，可导致多种健康问题，如皮肤病变、神经系统疾病、糖尿病、心血管疾病和多个器官系统恶性肿瘤等。皮肤损伤是慢性砷暴露的首要可见症状，通常在暴露数年之后发生，其特征是色素代谢异常和/或掌趾角化及皮肤癌等，虽治疗棘手但可预防。慢性砷暴露所致皮肤损伤的流行在中国、孟加拉国和伊朗等地均有报道，已被公认为慢性砷中毒的一个特异性表现。
氨基酸在机体新陈代谢中扮演着重要的角色，有助于维持正常的细胞结构、功能和健康，且部分氨基酸是机体所必需的营养信号，对于了解相关疾病的发生发展具有重要的提示功能。研究发现，环境砷暴露会引起氨基酸代谢紊乱，导致体内氨基酸水平出现异常变化，间接反映了遗传、表观遗传和各种外界刺激对转录组，蛋白质组和重要酶活性的影响，且与机体病理生理状态密切相关。适时开展氨基酸代谢物水平的检测和评估研究，有助于及时了解机体的健康状态，可在疾病的早期预警和早期识别，以及进一步理解其发生发展的代谢机制中发挥重要作用。
目的
1.基于代谢组学技术筛选出砷致皮肤损伤的敏感性特异氨基酸生物标志物；
2.深入探讨血清特定氨基酸代谢物与砷致皮肤损伤的相关性，并评估其用于砷致皮肤损伤早期识别的能力和可行性，为有效预防和控制慢性砷中毒提供新思路。
方法
基于项目组前期“叶酸降砷疗效的随机双盲、安慰剂对照临床试验研究（临床试验注册号：NCT02235948）”数据，采用病例对照研究设计，从入选的450名慢性饮水型砷暴露人群中选择具有砷致皮肤损伤者作为病例组（n=69），在余下人群中按照年龄相近（±1岁）和性别相同的原则进行1：1匹配作为对照组，最终获得56对病例和对照进入后续分析。（1）基于超高效液相色谱-四级杆-飞行时间质谱（UPLC-QTOF-MS）系统，完成血清代谢组学检测；（2）采用MassLynxV4.1软件对谱图进行包括峰识别、峰提取和滤噪等预处理；（3）使用在线软件Metaboanalyst4.0（https://www.metaboanalyst.ca/）对各代谢物峰强度数据进行清洗，包括归一化、标度化和缺失值的处理等；（4）采用主成分分析、偏最小二乘判别分析、正交偏最小二乘判别分析和单变量分析等完成差异代谢物的筛选；（5）鉴定差异代谢物并选择其中的氨基酸进行研究；（6）采用局部加权回归散点平滑法（LOESS），拟合各氨基酸代谢物水平与砷致皮肤损伤的关系曲线，多元条件Logistic回归模型探索不同氨基酸与疾病之间的关联性；（7）使用受试者工作特征曲线（ROC）评估其用于砷致皮肤损伤早期识别的能力和可行性；（8）对各氨基酸使用ROC曲线确定的最佳切点进行分组，多元Logistic回归模型探讨不同氨基酸之间的联合作用与砷致皮肤损伤的关联性，并分别探讨其相加和相乘交互作用。
结果
1.代谢组学数据分析筛选出3种组间差异氨基酸代谢物，分别是血清L-色氨酸（Typ）、L-苯丙氨酸（Phe）和苯丙氨酰苯丙氨酸（Phe-Phe）；
2.LOESS分析结果显示，随着血清Typ、Phe和Phe-Phe水平的升高，砷致皮肤损伤患病的可能性明显下降；多元条件logistic回归分析发现，Typ、Phe和Phe-Phe与砷致皮肤损伤间存在负相关关系，且呈现出明显的剂量-反应关系（P<0.05）；
3.ROC分析结果显示，血清Typ、Phe和Phe-Phe均可用于砷致皮肤损伤的识别，三者联用的曲线下面积[AUC（95％CI）]、灵敏度、特异度、阳性预测值和阴性预测值分别为0.73（0.63-0.82）、76.79%、62.50%、69.64%、67.19%；
4.不同血清氨基酸水平的联合作用与砷致皮肤损伤存在明显的关联性，其中Typ和Phe水平同时较高者出现砷致皮肤损伤的可能性是两者均低人群的0.08倍[OR=0.08，95%CI=（0.02，0.25）]；Typ和Phe-Phe水平同时较高者存在砷致皮肤损伤的机会是两者均低者的0.11倍[OR=0.11，95%CI=（0.03,0.40）]；Phe和Phe-Phe水平同时较高者发生砷致皮肤损伤的可能性是两者均低者的0.18倍[OR=0.18，95%CI=（0.07,0.50）]，但上述氨基酸之间的一级交互作用（相加和相乘）均未达到统计学显著性水平。
结论
血清Typ、Phe和Phe-Phe水平与慢性饮水型砷暴露人群的砷致皮肤损伤存在明显的关联性，并可作为敏感性特异生物标志物用于砷致皮肤损伤的早期识别。本研究结果可为慢性砷中毒新型预防和控制策略的制定提供新思路。