基于HP-CIL代谢组学方法的微塑料毒性机制研究

2022-03-27 20:10:18

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背景介绍

微塑料(microplastics,micro-PS),顾名思义指的是颗粒微小的塑料以及纺织纤维,虽然学术界对它的具体尺寸没有达到共识,但普遍认为粒径小余5mm的塑料纤维、颗粒或者薄膜就是微塑料。实际上,很多微塑料已经达到了微米甚至纳米的级别,肉眼根本无法分辨。近年来,世界各地海洋生态系统中频繁检出微塑料,微塑料污染已成为全球性的环境问题和研究热点。所以,人们也形象地将其称为海洋中的PM2.5。

目前,关于微塑料毒理学的研究多集中于生物的生理反应和组织学变化,微塑料的潜在毒理机制仍不清楚。近日,自然资源部海洋生态系统动力学重点实验室与上海海洋大学、加拿大阿尔伯特大学、英属哥伦比亚大学、丹麦南方大学和浙江大学等机构合作,应用新一代化学同位素标记定量代谢组学技术平台,揭示了微塑料对贝类的潜在毒性机制,相关成果发表于生态环境领域TOP期刊《Journal of Hazardous Materials》(IF=10.588)。

基于化学同位素标记液相色谱质谱法的高覆盖定量代谢组学揭示聚苯乙烯微塑料对海洋贻贝的毒性机制。                               

IF=10.588


研究路线


研究结果

1. 实验设计

经驯化后随机选取360只贻贝,设置了4种暴露浓度(0、10、10⁴、10⁶粒micro-PS/L)为。暴露14天后,进行7天恢复实验。在第7天、14天(暴露期最后一天)和21天(恢复期最后一天)分别采集消化腺和血淋巴样本,用于生化测定和代谢组学分析。

2.代谢组学分析
2.1 代谢物鉴定

CIL LC-MS技术平台通过在质谱分析中引入衍生化反应,极大改善分析物的离子化效率及色谱分离度,且灵敏度提升10-1000倍;引入的¹²C/¹³C 双标记系统可直接获得每一种被标记代谢物的同位素内标,有效克服了基质干扰,在扩大代谢物检测覆盖度及提高定量准确度等方面均显示出巨大的优势。基于此技术平台,研究人员以贻贝血淋巴液为对象,共检测到3599种代谢物。其中,基于标准品库匹配到163种代谢物;基于计算机模拟产生的代谢物信息与检测代谢物的精确质量、保留时间、二级质谱的信息进行匹配,鉴定出318种代谢物;基于精确分子量推定出2602种代谢物。也就是说,在3599个检测到的峰对中,3083个峰对(85.7%)被鉴定或质量匹配。

2.2 主成分分析(PCA)

PCA通过对主成分的相似性,对代谢物降维后的新的特征变量进行归类,从总体上反应各组样本之间的总体代谢差异和组内样品之间的差异大小。从PCA得分图可以看到QCs紧密聚集在一起,表明在数据采集期间仪器稳定性较高。

2.3 偏最小二乘法判别分析(PLS-DA)
PLS-DA是多变量数据分析技术中的一种有监督的判别分析方法,可以有效的对组间观察值进行区分,并且能够找到导致组间区别的影响变量。研究结果显示,在第7天和第14天,三种micro-PS浓度暴露组不同程度重叠;过7天恢复期,暴露组和对照组之间出现显著重叠。与多变量分析一致,恢复期各组之间无显著性差异,表明对照组和暴露组在恢复期的代谢轮廓总体上相似。


2.4 代谢通路分析
生物信息学分析结果表明,micro-PS影响厚壳贻贝的组氨酸代谢、维生素B6代谢、氨酸代谢、苯丙氨酸代谢和β-丙氨酸代谢通路。其中,咪唑乙酸、4-吡啶甲酸、3,4-二羟基苯丙酸、3-(2,3-二羟基苯)丙酸和1,3-丙二胺与micro-PS浓度呈正相关。由于酪氨酸、组氨酸、苯丙氨酸和β-丙氨酸代谢均以TCA循环为中心进行能量和物质交换,而这些代谢途径的扰动可能会干扰TCA循环、诱导氧化应激和免疫毒性反应,进而影响厚壳贻贝的免疫、代谢和生长活动。值得关注的是,短期micro-PS暴露可诱导贻贝产生氧化损伤,但可在移除暴露因素7天后逐渐恢复至正常水平。以上结果均从免疫指标层面得到进一步印证。


结  论

综上所述,本项目基于CIL LC-MS代谢组学技术与传统的生化方法相结合,对micro-PS对贻贝的毒性机制进行了研究。micro-PS引起贻贝血淋巴中酪氨酸、苯丙氨酸、组氨酸、β-丙氨酸和维生素B6代谢的显著变化,并影响抗氧化和免疫指标。此外,环境相关浓度(10和10⁴粒/L)micro-PS导致代谢物水平的显著差异。恢复期大部分指标恢复正常。研究结果表明,代谢组学和生化方法的结合有利于进一步认知环境污染物的毒性途径。

讨  论

全面的代谢组学分析结果为微塑料毒性机制的循证假设提供了有价值的基础。未来的研究需要包括micro-PS的不同聚合物类型和形态类型,以及细胞和靶向组织模型,从而阐明微塑料的机械毒性。