日期：2024-5-1

卵泡液是卵细胞生长发育的直接微环境，多种微量元素直接与卵细胞的发育成熟相关联。由于血-卵屏障的存在，物质在血液与卵泡液之间的传输受到选择透过性的影响。有研究发现微量元素在卵泡液中的浓度与其在血液中的浓度存在显著的差异。相较于血液，卵泡液是更能反映卵细胞生长发育过程中微量元素暴露的生物样本。分析微量元素的血-卵分布特征及其相关生物通路，对于卵细胞微环境的暴露风险评定具有重要意义，有助于探索微量元素影响卵细胞发育的相关机制。对此，北京大学公共卫生学院王斌研究员联合北京大学人民医院和烟台毓璜顶医院生殖中心，以及复旦大学、中国科学院生态环境研究中心、昆明理工大学、中国环境科学研究院、浙江工业大学等团队开展开合作研究。首次较为全面地描述了多种微量元素的血-卵分布特征，以及采用多组学分析发现了雌激素的合成及信号通路可能与微量元素的血-卵分布特征有关。此外，使用机器学习模型预测了卵泡液中多种微量元素浓度，从而提供了一种低侵入性的暴露评估方法。

图 1. 图文摘要

论文类型：长篇

第一完成单位：北京大学

第一作者：张国欢

通讯作者：王斌（北京大学）、庄丽丽（青岛大学）、鹿群（首都医科大学）

期刊：Environmental Science & Technology，IF2022 = 11.4，中科院1区

论文信息：Zhang G, Lin W, Gao N, Lan C, Ren M, Yan L, Pan B, Xu J, Han B, Hu L, Chen Y, Wu Y, Zhuang L*, Qun Lu*, Bin Wang*, Fang M. Using Machine Learning to Construct the Blood−Follicle Distribution Models of Various Trace Elements and Explore the Transport-Related Pathways with Multiomics Data. Environmental Science & Technology. 2024, https://doi.org/10.1021/acs.est.3c10904

全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.3c10904

针对微量元素的血-卵分布特征及其相关的生物通路，北京大学公共卫生学院王斌研究员联合北京大学人民医院生殖医学中心、烟台毓璜顶医院生殖科展开合作研究。通过严格的队列研究设计，选择了2015-2017年于上述两家医院接受辅助生殖治疗的女性共168名，并收集其血清/血浆、卵泡液样本，完成35种微量元素，以及代表性标本的代谢组学、脂质组学、蛋白组学进行分析。研究结果发现：21种微量元素的血-卵分布特征在北京、烟台两家医院一致，其中砷（As）、镍（Ni）、锰（Mn）、锡（Sn）、铋（Bi）五种微量元素在卵泡液中的浓度显著高于血清浓度，在卵泡液中存在富集的现象（富集组元素）。锑（Sb）、锗（Ge）、钕（Nd）、谱（Pr）、钐（Sm）、钇（Y）、汞（Hg）、钆（Gd）、钴（Co）、钍（Th）、镧（La）、铀（U）、硒（Se）、肽（Ti）、铁（Fe）十五种元素的卵泡液浓度显著低于血清浓度，其从血液向卵泡液的传输过程可能受到限制（传输受限组元素）（图1A）。镉（Cd）在血清和卵泡液中的浓度没有显著差别。 “富集组元素”和“传输受限组元素”的传输效率（卵泡液浓度/血清浓度）总体上在各自组内显著正相关，而在组间呈负相关（图1B）。这提示可能存在某种生物通路同时影响了微量元素的富集与传输受限，从而导致了传输效率的相关性。

图 2. 微量元素的血清-卵泡液分布特征及传输特征。（A）微量元素的血-卵分布特征；（B）传输效率相关矩阵，体现了微量元素间传输的相关性。

为探究与微量元素的血-卵分布特征有关的生物通路，作者结合了代谢组学、蛋白组学、脂质组学特征与微量元素的传输效率，通过弹性网络模型（Elastic net，ENET）筛选与微量元素传输效率有关的生物学特征（图3A-B）。筛选出的特征主要与As、Mn、Sn、Bi的传输效率有关（图3C-D）。随后通过富集分析、通路分析发现雌激素信号通路、糖代谢相关通路可能与上述元素的血-卵传输效率有关（图3E）。

图 3. 多组学分析探索微量元素血-卵分布特征相关生物通路。（A）多组学分析设计；（B-D）与微量元素传输效率有关的多组学特征；（E）多组学特征通路分析与富集分析

为进一步探索验证微量元素血-卵分布特征相关生物通路，作者整合了包括Comparative Toxicogenomics Database (CTD)、Toxin and Toxin Target Database (T3DB)、the Chemical-Protein Interaction Networks (STICH)、Toxicity ForeCaster (ToxCast)等生物信息学数据库，构建了微量元素的血-卵传输相关通路网络图（图4）。结果显示富集组的元素与类固醇激素的生物合成及信号通路（卵巢内）、卵细胞成熟有关。富集组的元素可能共享一些传输通路，包括葡萄糖和金属离子的运输，通过p-type ATP酶的离子运输，ATP酶偶联的无机阴离子/阳离子跨膜转运，钙离子、钾离子、锰离子的跨膜转运调节等。

图 4. 富集组微量元素的传输相关通路。（A）元素-通路网络图；（B）元素-基因本论（GO）网络图；（C）元素-蛋白-基因本论（GO）网络图。

卵泡液通常通过穿刺取样，为了提出一种低侵入性的卵泡液微量元素浓度评估方法，作者利用弹性网络（ENET）、支持向量机（Support vector machine, SVM）、随机森林(Random forest, RF)、极致梯度提升树（Extreme gradient boosting tree, Xgbooting tree）四种机器学习算法建立卵泡液中35种微量元素浓度的预测模型。结果表明：利用机器学习模型可以较好地预测卵泡液中的部分微量元素浓度，其中RF的预测结果最为准确。

图 5. 利用机器学习算法建立卵泡液中微量元素浓度的预测模型。(A)模型建立方案。（B-F）模型准确度评估

总结与展望：

本研究首次较为全面地描述了多种微量元素的血-卵分布特征，以及采用多组学分析发现了雌激素的合成及信号通路可能与微量元素的血-卵分布特征有关。此外，使用机器学习模型预测了卵泡液中多种微量元素浓度，从而提供了一种低侵入性的暴露评估方法。该研究结果以女性生殖健康的角度，可促进多种微量元素的环境暴露风险评估。

致谢：

感谢中国队列共享平台（https://chinacohort.bjmu.edu.cn/）和重大疾病流行病学教育部重点实验室（北京大学）（https://klemd.pku.edu.cn/index.htm）提供合作协助。感谢国家自然科学基金委和国家科技部重点研发项目支持。感谢胡立刚研究团队（中科院生态中心）、方明亮研究团队（复旦大学）对于论文分析思路提供支持。

作者简介

第一作者：

张国欢，硕士毕业于北京大学公共卫生学院生育健康研究所。现就读于中国科学院大学中丹学院/中国科学院生态环境研究中心。主要研究方向为金属组学及其健康效应。擅长基于多组学数据与机器学习模型，结合流行病学研究方法，探究多种生物样本中的金属健康效应。迄今以第一作者在Environment Science & Technology、Environmental Pollution 期刊发表SCI论文2篇，合作发表SCI论文6篇。参与国家自然科学基因面上项目、国家重点研发计划项目共3项。ExposomeX平台（http://www.exposomex.cn/）开发核心骨干成员。

通讯作者：

王斌，北京大学公共卫生学院生育健康研究所，长聘副教授/研究员。主要研究方向为环境健康，暴露组学大数据与人工智能。采用多学科研究方法揭示环境污染暴露对人群生育健康的影响及机制，构建健康风险评价模型。迄今主持国家自然科学面上和青年基金3项，骨干参与国家重点研发项目3项。以第一或通讯作者在Environ Health Persp、Environ Sci Tech、The Innovation等国际权威期刊发表论文共55篇(H指数=42，他引6500余次)。担任环境健康领域TOP期刊Environ Sci Tech主题编辑，参与多个国内外知名期刊的编委工作（The Innovation、Environ Int、Environment & Health、Eco-Environmental Health、China CDC Weekly和“环境卫生学杂志”）。开设本科生教改课程“暴露组学”，研究生教改课程“环境暴露组学”，全球健康国际高端公共卫生硕士课程“Environment & Health”。担任中国队列共享平台“环境与人群健康”组长，环境诱变剂学会环境与生育健康专委会副秘书长。获得北京预防医学会科技二等奖和“全国科技系统抗击新冠疫情优秀个人”称号。

庄丽丽，医学博士，副主任医师，烟台毓璜顶医院生殖科。主要研究方向为擅长女性不孕症，多囊卵巢综合征等生殖内分泌疾病、复发性自然流产等疾病的诊治及个体化促排卵治疗，擅长人工授精、体外受精-胚胎移植（试管婴儿）等辅助生殖技术。先后参与国家自然科学基金、山东省自然科学基金各1项，发表论文10余篇（第一作者发表SCI论文6篇），主编著作2部，发明专利1项。山东中西医结合学会妇产科专业委员会委员，山东营养学会辅助生殖营养专业委员会委员，烟台市生殖医学专业委员会委员，《Human Reproduction Update 中文版》青年编委。

鹿群，教授、主任医师，博士生导师，首都医科大学附属北京朝阳医院生殖医学中心。主要研究方向为生殖医学。研究领域涉及受精机制、卵母细胞激活研究，肿瘤生育学，环境内分泌干扰剂对女性生殖功能的影响，促排卵方案优化等方面。近年来，以第一作者或通讯作者发表学术论文50余篇。主持、参与国家自然科学基金、北京市科技计划项目多项。主要兼任中国妇幼健康研究会妇女保健能力建设专业委员会副主任委员，国际标准化组织（ISO）医疗质量管理标准化专家，中华临床医师杂志（电子版）、中国妇产科临床杂志、Gynecology and Obstetrics Clinical Medicine等期刊编委。

供稿 | 王斌教授团队（北京大学）

审核 | ExposomeX团队