人类疾病是由个体遗传和环境因素共同决定的。而环境的影响可归因为生物、化学、物理甚至是心理等因素（图1）。不正常的环境暴露，特别是在幼儿时期，会大大增加各种急性和慢性疾病，包括癌症、过敏/哮喘和自身免疫性疾病的发生。环境暴露组(Exposome)是近几年新兴的针对于环境因素运用先进技术手段进行大规模量化，并研究这些组分与人类、动物以及其他生物健康状态/疾病发生发展关系的学科。环境暴露组中又以空气中的成份最难以开展研究。因此，开发高通量方法，以高灵敏度和高准确性定性和定量个体空气暴露组组分至关重要。
图1. 个体环境暴露组简图
早期的暴露组研究主要通过调查问卷、靶向检测已知的毒素和病原体、非靶向检测生物和化学组分，以及利用固定监测建立环境污染物的地理信息系统模型以量化外部暴露组的个性化生理反应。已鉴定数百万种有机化学物—包括药品、个人护理产品、增塑剂、农药、防腐剂、阻燃剂和微生物代谢物等。然而，大多数天然有机化学品仍未被鉴定。在医学领域，通过检测人体内部的表观遗传变化以间接反映环境暴露情况。在环境科学和生态学领域，通过高流量空气采样设备检测室内和室外环境暴露组分。但是这些研究仅局限在化学成分或微生物的解析，并未两者兼顾。此外，在这些研究中，一方面主要采用基于标记基因16S的特异性扩增和测序鉴别微生物，缺乏对细菌以外物种的鉴定，且缺乏基因和功能层面深入研究。另一方面，主要采用靶向代谢组识别已知化合物，未能全面描述反应环境暴露组成分的真实情况。因此，开发可以在个体水平直接监测空气环境暴露组生物和化学组分的高通量方法尤为重要。
图2.个体环境暴露组暴露组样本收集、提取和处理流程概述
为解决解读个人空气环境暴露的各种难题，我们研发了集可穿戴设备、实验技术、生物信息处理为一体的方法流程，成功实现在个体层面收集和解码环境生物和非生物暴露（图2）。我们的采样方法具有可穿戴性，并通过特定的去污染和等温线性扩增步骤，将灵敏度提高到亚纳克级。该设备还配备有传感仪，可同时监测温度、湿度、颗粒物（PM）浓度和采集时间。在相关的研究中，我们通过该方法开展了对15个人长达两年时间的个人环境暴露组研究，鉴定了2,500多个物种，并对近1,000种化合物进行了注释，发现了生物和化学组分随着季节、地理位置、生活习惯变化而变化，首次在个体水平揭秘了高度复杂动态的环境暴露组分与功能特性。
我院的蒋超研究员与斯坦福大学的张馨月博士和高鹏博士为本文的共同第一作者，蒋超研究员与斯坦福大学的Michael Snyder教授为共同通讯作者，浙江大学生命科学研究院为论文第一单位。该研究工作得到了浙江大学生命科学研究院启动资金以及Leona M.和Harry B.Helmsley慈善信托基金项目的资助。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41596-020-00451-8
