基于代谢组学方法的飞行疲劳生物标志物探索研究

Flight fatigue is a serious threat to aviation safety, and it led directly or indirectly to many flight accidents and incidents. Up to date, there is lack of rapid and objective methods of assessment of flight fatigue. Existing psychological assessments of fatigue are subjective, and electroencephalogram assessments are complicated, so these methods are difficult to realize rapid site detection. Therefore, it is urgent necessary for flight safeties to rapid detect, monitor, and evaluate flight fatigue. In this study, we propose new ideas to study the flight fatigue using metabolic methods, and to screen fatigue-related biomarkers in urine samples, in order to provide new knowledge and theoretical basis for development of rapid fatigue detection and evaluation methods. Firstly, we study to establish flight fatigue models based on accumulated flight time induced fatigue, subjective reports, and electroencephalogram standards, and to collect urine samples; secondly, study to develop detection methods of inorganic and organic components in urine samples, and analyze data with principal components analysis and partial least squares-discriminant analysis, in order to screen possible biomarkers; finally, study to verify these biomarkers with pilot urine samples according to flight fatigue, to provide new theories and new methods for the establishment and development of rapid fatigue detection in order to ensure aviation safety.

飞行疲劳严重威胁航空安全，许多飞行事故及事故征候与疲劳有关。对飞行疲劳进行快速检测对保障航空安全具有重要意义。目前，缺乏快速客观检测飞行疲劳方法，已有心理测量飞行疲劳方法主观性强，脑电测量方法仪器复杂难以实现快速检测，因此急需建立快速客观检测飞行疲劳的新方法。本项目提出以代谢组学方法研究飞行疲劳的新思路，在代谢尿液样本中筛选出飞行疲劳相关生物标志物，为发展飞行疲劳快速检测新方法提供新理论基础。研究建立可靠稳定飞行疲劳模型：依据模拟飞行任务累计时间诱发飞行疲劳并通过主观报告及脑电结果确认疲劳，建立飞行疲劳模型，同时收集代谢尿液样本；建立灵敏准确尿液样本无机和有机组分检测方法，采用主成分分析和偏最小二乘分析法分析检测数据筛选可能的生物标记物；研究确认飞行疲劳相关生物标志物，根据疲劳状况分组并收集执勤飞行员尿液双盲测定确认生物标记物。为保障航空安全发展飞行疲劳快速检测提供新原理新方法。

疲劳威胁民航运输安全，民航运输中许多飞行事故和事故征候都直接或间接与疲劳有关。人类研究疲劳的历史可以追溯到百年前的第一次世界大战，先后从工效学、心理学、脑电生理学角度研究疲劳问题。现有疲劳检测方法包括工效学测量法和心理测量法、脑电生理测量法等，但均难以实现快速检测。本项目依据系统生物学理论，提出以代谢组学方法研究疲劳的新学术思想，在代谢尿液样本中筛选出疲劳相关生物标志物，为建立疲劳相关生物标志物的快速检测保障航空安全提供新理论新方法。.主要研究内容包括：①建立了可靠稳定的飞行疲劳诱发模型，并招募志愿者进行了模拟操作采集其血液和尿液样本；②建立了灵敏准确尿液样本无机和有机组分检测方法，分析检测疲劳对代谢尿液、血液组分的影响，筛选可能的疲劳相关生物标志物；③采集航线飞行员尿液样本对可能的飞行疲劳相关生物标志物进一步验证；④民航空中交通管制员由于工作负荷高、压力大也极易产生疲劳，项目组也开展了管制员疲劳生物标志物的筛选研究。.重要结果、关键数据及科学意义：利用超高效液相色谱-质谱联用仪分别配备极性和弱极性、非极性三种色谱柱对收集的尿液样本进行全谱扫描检测分析，采用代谢组学专业软件进行色谱-质谱数据处理，筛选疲劳相关潜在生物标志物。结果表明，在人体尿液中初步筛选出6种疲劳相关潜在生物标志物（N2,N2-Dimehtylguanosine、N-Acetylarylamine、Alpha-CEHC、5-Hydroxy-L-tryptophan、Urocanic acid、N4-Acetylcytidine），并且经过一天工作下班时对照组检出后3种标志物浓度显著改变，而管制员检出6种标志物浓度均显著改变，说明伴随疲劳程度的增加与睡眠相关的分子通路逐步被激活。该研究首次尝试采用代谢组学方法研究疲劳这一百年课题，研究结果开拓了疲劳人体生化研究的新领域，并且将代谢组学研究方法由疾病领域的研究拓展到疲劳这类人体生理变化的新研究领域。部分研究结果已发表在国际一流学术期刊 Analytical Chemistry (2016, 88, 11293) ，该论文被美国化学会选为热点议题在其官网公共事务周刊对这项研究成果进行了特别报道，引起广泛关注。