1、项目名称： 空气颗粒物致健康危害的基础研究首席科学家： 邬堂春 华中科技大学起止年限： 2011.1至 2015.8依托部门： 湖北省科技厅 教育部二、预期目标1.总体目标根据我国代表性区域 PM 的特点， 阐明我国 PM 污 染特征与健康危害特征的关系以及我国 PM 暴露人群的易感特征，为我国未来制订颗粒物环境标准提供人群流行病学依据；阐明 PM 主要组分与机体交互作用在激发和促进 PM 早期健康损害（如导致肺功能下降、心率变异性降低、 遗传损伤等）的作用机制，以及 这些机制是否在重大环境相关疾病（哮喘、肺癌和冠心病）发生中起作用，找到早期预防干预的新靶点，提出我国 PM 健康危险度评价的新
2、模式，为加强群体预防提供科学依据，同时也为研究 环境相关疾病的发生机制提供新思路、新视野和新证据。通过本项目的实施，将提升我国 PM 致机体健康危害，特别是心肺早期健康危害的基础研究水平，进一步扩大和完善现有相关样本资源及信息数据库，提高我国在 PM 的早期健康危害和相关重大疾病研究领域的国际学术影响力和竞争力。通过 本项目的实施，锻炼和培养高水平的新生科研力量，造就一支具有国 际先进和国内领先研究能力的环境医学基础研究队伍。2.五年预期目标（1）通过代表性 PM 污染特征、污染水平与居民疾病发生和死亡的分析， 阐明我国 PM 污染的暴露反应关系和我国 PM 暴露人群的特征，进而为我国未来制订
3、/修订 PM 空气质量标准提供基 础数据。（2）通过重点研究空气中PM的主要化学组分与机体的交互作用，阐明它们在PM致机体早期心肺损伤生物学机制，并验证在重大环境相关疾病发生中的作用机制。（3）筛选并验证 3-5 个可用于评价 PM 致机体健康危害的暴露、效应和易感性标志物，建立 PM 致机体早期健康损害的暴露、效 应、易感性生物 标志物的检测方法与技术规范；结合在目标人群中的验证结果，提出 PM 的健康危险度评价新模式，为预防 PM 致机体早期健康损害提供科学依据和技术手段。（4）建立和完善研究环境-机体交互作用的高通量技术平台，扩大充实环境相关生物样本资源库和生物信息库。（5）完成高水平论
4、文 200 篇以上，其中在国际相关领域排列前 10%的学术期刊上发表 40-50 篇论文；申请专利 10 项以上。在相关学科领域培养一批高水平的科研人员（包括研究生 150 名和学术骨干 29 名），造就一支高水平的环境医学基础研究队伍，通过现场研究，提升合作 单位和基层人员的研究能力。三、研究方案1.总体学术思路本项目将以 PM 的主要组分及其代谢产物（机体外暴露和内暴露）与机体交互作用为核心，围绕心肺早期健康危害和作用机制这一环境与健康领域的关键科学问题， 研究我国 PM 的健康危害特征， 揭示 PM 致机体生物效应特点、早期健康损害机制，验证这些机制 在重大环境相关疾病（哮喘、肺癌和冠心
5、病）中的作用；将环境监测、实验室研究与人群研究有机结合，发现有效的 PM 暴露、效应、易感性生物标志物，为提出我国 PM 健康危险度评 价的新模式和预警体系提供科学依据。图 1 课题研究思路2.技术途径本项目将围绕关键科学问题，实施流行病学研究与实验室研究紧密结合的研究策略，通过环境科学、环境化学、 环境医学、流行病学、毒理学、分子遗传学、生物化学、内科学、分析化学、卫生统计学等多学科融合的技术与方法，阐明不同类型 PM 的生物学毒作用特点和机制。（1）人群研究与分析方法 包括现况研究、病例对照研究、时间序列和病例交叉研究、固定群组追踪研究和队列研究。 各课题根据其研究目的，将重点测定不同的早
6、期健康危害，并控制混杂因素。现况研究：在代表性城市，考虑到不同污染类型、不同季节，选择目标人群，结合 PM 个体监测方法评价人群的 PM 暴露剂量和特征，通过问卷详细收集研究对象的个人基本情况、生活饮食习惯、居住 环境和职业史、疾病史、家族史等信息；通过健康检查获得生物样本和人群健康结局（早期生化反应、早期健康损害和疾病），明确 PM 暴露导致的哮喘、肺癌和冠心病 的人群分布及其影响因素。同 时，分析 PM 引起的早期分子反应，初步 阐明这些变化的作用与意义。病例-对照研究：以罹患哮喘（1000 例）、肺癌（5000 例）和冠心病（3000 例）的患者为研究病例，同时选择和病例性别、年 龄匹配
7、的健康对象为对照。 进行个体PM 暴露剂量评价，调查饮食习惯、居住环境、 职业史、疾病史、家族史等信息，根据研究目的采集血液、痰液或尿液等生物样本，在测定特征性内暴露标志物，同时测定个体炎性和免疫因子、重要蛋白、酶和遗传因子等标志物， 筛检和验证影响 PM 代谢和作用的关键酶和遗传变异。比 较病例和对照组人群 PM 暴露、早期生物效应指标和疾病（哮喘、慢性阻塞性肺疾病、肺癌和冠心病）发生等的差异程度，提出和验证新的生物标志物。同 时在人群中发现重要的易感基因，分析 遗传变异与个体易感性差异的作用机制。时间序列和病例交叉研究：在我国 7 个代表性城市，开展 PM 暴露与居民死亡（包括总死亡和分疾
8、病别死亡，以及我国居民主要死因疾病如冠心病和肺癌等）关系的时间序列和病例交叉研究，建立代表性城市的 PM 健康危害的暴露反应关系，分析是否存在阈浓度及其数值，并 阐明我国居民对 PM 暴露的人群易感特征（年龄、性别、社会经济状况、季 节等）。将源解析技术与时间序列/ 病例交叉设计相结合，确定对我国居民健康危害大的 PM 污染来源。暴露-风险关系图和固定群 组研究：在我国代表性城市如天津、上海、广州、武汉和太原，开展源排放表征、PM 的时空分布、按粒径的成分分析、来源解析，结合 LUR（Land Use Regression, 土地利用回归模型） 做出精度高的浓度分布、叠加人口分布做出的浓度分布
9、、叠加人口分布，得到暴露量的分布，进而得到 5 个城市的 PM 的暴露- 风险关系图。固定群组追踪研究：开展固定群组的暴露特征研究，包括个体暴露、室内外污染表征和社区环境污染表征。开展基于暴露量和暴露成分的健康风险分析，结合暴露特征，开展人体剂量学的研究，更好描述人体外暴露和内暴露的关系，并开展机体内暴露剂量和早期效应标志物的监测研究，综合评判内暴露效应指标的敏感性和特异性，鉴定和发现 PM 内暴露单一或/和复合的生物标志物。队列研究： 为增强研究 结果的可信度，本 项目拟将重要研究成果在已建立的研究队列中验证其在 PM 暴露致哮喘和冠心病的作用机制。在已经建立人群队列（15 万人追踪观察）的
10、两个重点城市进一步完善 PM 的暴露信息，结合 PM 监测结果确定队列成员的不同暴露剂量水平，以及个人基本情况、生活饮食习惯、居住环境和职业史等信息，将回顾性和前瞻性研究方法相结合，追踪队列成员 5 年，通过健康检查和人群生物样本（血液、肺泡灌洗液、痰液和尿液）测定进行人群特征分析，动态观察队列成员 PM 暴露和早期分子效应指标。建立 PM 各组分、暴露剂量和哮喘、冠心病发生、早期分子效应以及遗传变异的剂量反应关系， 应用生物统计分析模型分析 PM 暴露和队列成员早期健康损害和哮喘、冠心病发生的病因学关联及其关联程度，验证动物实验和病例对照研究提出的哮喘和冠心病发病的早期效应标志物和遗传易感性
11、因素。生物统计方法与模型： 基于个体 PM 暴露剂量，采用 SHEDS（stochastic human exposure and dose simulation）软件构建代表性城市居民特征的个体暴露模型。 时间序列分析将采用对数线性模型基础上的半参数广义相加模型分析数据；病例交叉研究采用条件 logistic 回归进行数据分析。采用综合加权回归分析，建立全国水平的空气污染健康危害的暴露反应关系曲线；按照季节、性别、年龄和教育程度等分层分析，比较不同层颗粒物的健康效应，从而鉴别 PM 健康危害的人群易感特征。通过因子分析的方法，对 PM 样品的元素浓 度数据进行最大方差旋转的因子分析，建立典型
12、元素与因子的相关关系；其他常规分析包括定性资料的单因素 2检验（包括基因型在对照人群中的 Hardy-Weinberg 平衡检验），剂量-效应关系的趋势性 2检验；定量资料的 t 检验、方差分析和协方差分析，单因素和多因素 Logistic、Cox 回归分析，基因-环境交互作用的相乘效应的 Logistic 回归模型分析等。多因子多效应的联合分析将采用非参数模拟的思想【包括蒙特卡洛模拟（MC）、多因素降 维（MDR）和分类与回归树（CART）等】，分析各因子的主效应及与疾病和其他表型之间可能存在的基因-基因与基因-环境的多重交互作用，考察可能存在的多种交互作用模式并阐明其意义。用 Permut
13、ation test、Bonferroni 和Benjamini and Hochberg 等方法校正多重比较的统计 学现状性。（2）用细胞模型与实验动物系统评价 PM 的毒性和作用机制由于 PM 组分复杂性，决定了 PM 生物学效应的多样性。因此，该部分研究工作将根据典型城市不同类型 PM 暴露对人群健康影响研究提供的初步线索，紧扣关键科学问题，进行不同环境条件下不同 PM 污染类型（PM 10、PM2.5 和PM0.1）的系统毒性评价，以阐明毒性作用特征与效应模式。重点研究采集 PM 样本的基本细胞毒性（氧化应激、炎性反应与免疫应答等）、遗传毒性与致癌性以及心血管发育毒性，表征不同类型 P
14、M 的毒性作用特征，筛选 PM 产生复合毒性效应的主成分。同时，针对 PM 对呼吸系统和心血管疾病的影响，将用靶 细胞（支气管上皮细胞、血管内皮细胞）侧重研究不同粒径 PM 与其代表性组分在细胞和分子水平产生毒性效应的主要细胞信号通路（如 MAPK）的调控机制；用动脉粥样硬化大鼠动物模型和哮喘动物模型探讨 PM 对疾病发生、发展的影响。通 过上述研究，可望发现 PM 诱发细胞炎性和免疫应答调控机制中的重要分子事件， 筛选出能用于相关人群中验证的代表性暴露指标和/或效 应指标。本项目研究实施中将细胞实验与动物实验相结合，以毒理学替代法为主要研究手段，以现代生物技术为支撑（如 DNA 甲基化测定、
15、原位 杂交、 qRT-PCR、RNAi 和 ChIP、免疫共沉淀等技术），为相关课题开展 PM 的早期健康损害和相关疾病的危险性评估提供科学线索，为阐明 PM 毒作用的分子机制提供科学依据。细胞和动物 实验结果的人群 验证基于细胞和动物实验中发现的与 PM 毒性作用相关的代谢、炎性和免疫应答等重要因子，在人群调查中 进行关联研究与验证。 对 与上述疾病相关的基因及其遗传变异，在 DNA、RNA 和蛋白质水平进行系统的生物学功能研究，以阐明基因型和表型的关系及其作用机制，为这些心肺早期健康危害和环境相关疾病的预防和干预提供靶点。（3）基因和蛋白质水平的研究方法本项目将在研究人群的健康、早期损害和
16、疾病的不同阶段进行基因三个方面的研究内容：基因组变 异，包括： 单核苷酸多态 性、插入、缺失、倒位、拷贝数目变异等； 表观遗传学改 变，包括： DNA 甲基化； 基因表达的调控，包括mRNA、非 编码 RNA 和小 RNA 等。应用 Northern blot、原位杂交、Real-time PCR、RNAi 和 ChIP 等技 术， 检测基因在所研究细 胞和动物组织中的转录表达、定位、调 控及功能；利用深度 测序技术发现 PM 暴露下基因组特征突变谱。蛋白质水平的研究是利用酶联免疫反应、Western blot、SPR 技术、免疫共沉淀、双向电泳等方法测定、发掘和鉴 定的蛋白质水平和相互作用的
17、关系。3.创新点与特色本项目结合我国 PM 污染特点和中国人群的遗传特征，利用我国环境与健康相关资源（暴露人群、哮喘、肺癌和冠心病病人的生物样本和健康信息）， 应用流行病学、毒理学、遗传学、分子生物学等学科的新技 术，研究我国 PM 健康危害特征及其作用机制（即关键科学问题），在学术思路、研究设计与方案和技术路线方面有如下的创新点和特色：学术思路上：紧密结合国家重大需求，围绕我国重要环境污染物，阐明我国PM 污 染的理化特征，以健康危害大的空气 PM 为切入点，以 PM 及其组分与机体交互作用为核心，回答我国 PM 健康危害特征及其作用机制这一关键科学问题。以早期健康危害（可发 展两种完全相反
18、的结局：健康与疾病）为突破口，基于环境与机体交互作用，阐明空气颗粒物致早期健康危害的作用机制，充分体现“预防为主”的卫生工作指 导方针， 为制订防治对策提供科学依据；在研究 PM 致早期健康损害和重大环境相关疾病发生的作用机制中紧扣机体（炎性反应、免疫应答、遗传 改变）与环境（PM 的理化特征）的交互作用的研究主线， 为进一步阐明环境健康危害机制提供新思路和新证据。研究设计与方案上既考虑 PM 暴露的客观特征，又考虑 PM 主要组分单独在研究机制上的 优势与特点；既考虑细胞培养实验、 动物实验的新发现 到人群研究的验证，又考虑人群研究的新发现在细胞培养和动物实验中进行功能与机制研究；同时运用现
19、况调查、病例对照研究和队列研究设计，特别是一般人群和职业暴露人群队列有机结合，使研究结果更为系统和可信；通过病因学研究，搭建机制研究到人群干预靶点筛选、应用的桥梁。 技术路线上针对我国环境污染特点和人群遗传特征，将源解析与人群健康流行病学相结合来阐明 PM 的健康危害特征；将基因型与表型研究相结合，发现候选基因和研究筛选到的新基因的作用；将利用深度测序技术发现 PM 暴露下基因组特征突变谱，阐明表型变异与基因型的作用在 PM 致早期健康损害及其心肺系统重大疾病中的作用，解析相关的生物剂量、效 应生物标志物和作用机制， 为提高健康危险度评价的科学性提供基础依据。4.取得重大突破的可行性分析（1）
20、工作基础优势 课题组参加单位均长期开展环境与健康的相关研究工作，并已具备良好的工作基础和研究条件，如： 已建立国内典型城市和地区的 PM 样本库和环境数据库、肺癌、冠心病、哮喘的病例- 对照生物样本库（尿、血清和 DNA），及与此相 对应的环境暴露信息数据库，并在相关地区建立了基础人群队列和特殊职业人群队列，已有研究信息资源包括 ：问卷调查内容：一般情况：人口特征（性别、年龄、民族、宗教、婚姻等）、社会经济学特征（教育程度、家庭住址、职业与工作史等）、主要慢性病患病情况与家族史、卫生服务与用药情况；健康相关行为与生活方式调查：吸烟、饮酒、体力活动、膳食、精神状态、孕育史等。健康医学检测数据：体
21、格检查：身高、体重、腰围、体质指数等；血压（收缩压、舒张压）测定与心、肺听诊；眼底 检查； 心 电图等检查；血常规检查：嗜酸性粒细胞计数（EOS）、嗜酸性粒细胞百分比（EOS%）、嗜碱性粒 细胞计数（ BAS）、嗜碱性粒细胞百分比（BAS%）、单核细胞计数（ MNC）、单核细胞百分比（ MNC%）、白细胞计数（WBC ）、淋巴细胞计数（LYM）、淋巴 细胞百分比（LYM%）、中性粒细胞计数（GRA）、中性粒细胞百分比（GRA%）、红细 胞计数（RBC ）、血红蛋白（ Hb）、红细胞比积（Hct ）、红细胞平均体积（MCV）、 红细胞平均血红蛋白含量（ MCH）、红细胞平均血红蛋白浓度（MCHC
22、）、红细胞分布宽度（RDW）、血小板计数（PLT）、平均血小板体积（MPV）、血小板 压积（THR ）、血小板体积分布宽度（PDW）；尿常规检查：尿酸碱度、亚 硝酸盐、葡萄糖、维生素 C、白 细胞、尿蛋白、胆红素、尿胆原、尿 酮体、尿比重、潜血；血清生化分析：肝功能（血清总胆 红素、血清直接胆红素、血清间接胆红素、血清丙氨酸氨基 转移酶、血清天 门冬氨酸氨基转移酶、血清 -谷氨酰基转移酶测定、血清碱性磷酸酶测定）、 肾功能（血清尿素、肌酐、尿酸）、血糖、血脂（血清总胆固醇、血清甘油三酯、血清高密度脂蛋白胆固醇、血清低密度脂蛋白胆固醇）检测；胸片与腹部 B 超（肝、胆、脾、双肾、前列腺、子 宫及
23、附件）；肿瘤与分子生物学标志物：糖类抗原 125（CA125）、糖类抗原 15-3（CA15-3）、糖类抗原 242（CA242）、糖类抗原 19-9（CA19-9）、神 经 元烯醇化酶（NSE）、癌胚抗原（CEA）、甲胎蛋白（AFP）、前列腺抗原（PSA）、游离前列腺抗原（fPSA）、铁蛋白（Ferritin）、生长激素（HGH）、雌激素（-HCG）。 已拥有一支环境医学领域的科学研究队伍，主要骨干在国内外相关领域享有一定的学术声誉。值得一提的是， 项目组成员已开展了与本项目相关的初步研究工作，并取得了有科学价值的研究结果（参见第七部分现有工作坚持和条件），由此可见，已具备的良好工作基础足以
24、保证本项目的顺利实施和高水平完成。此外，基于项目的研究目的与解决关键科学问题的需要，现组建的研究团队吸纳了国内相关领域新的优势单位，如南开大学国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室、中国医学科学院肿瘤研究所从事病因及癌变机制研究的实验室， 军事医学科学院分子免疫全军重点实验室与毒理学评价研究中心和中国科学院生物物理所的实验室，增强了研究团队的合力。（2）研究资源优势本项目拥有独具中国特色的典型城市和城市 PM 样本库及相关信息库、与PM 相关的环境疾病调查 数据库， 包括 15 万暴露人群 样本与相关信息库、 9000对肺癌病例与对照、5000 对冠心病病例与对照、 1000 对哮喘病例与对照（参见工作基础优势部分）。已建立的人群队列、特殊 职业队 列、 转基因细胞和动物模型为本项目在病因学和机制研究方面的突破提供了先决条件。高通量技术平台等为高水平研究成果提供了硬件保障。（3）学术力量优势本项目研究队伍集中了我国劳动与环境卫生学、环境科学、毒理学、 遗传学、肿瘤学、 内科学（呼吸病和心血管病）、 流行病和生物 统计学等领域的优势学科和重点实验室；人才队伍中，有 国家杰出青年基金获得者 3 人，长江学者特聘教授3 人和讲座教授 1 人，新世 纪百千万人才工程国家级人选 4 人，教育部新世纪优
