持久性有機(jī)污染物(POPs)是國際上廣泛關(guān)注的新污染物之一，以氯化石蠟(CP)、六溴環(huán)十二烷(HBCD)等多鹵化合物，已被添加到全球持久性物質(zhì)清單中。這些污染物一旦進(jìn)入生物群體，就會(huì)被運(yùn)輸?shù)轿廴疚锒纠韺W(xué)作用的重點(diǎn)部位，并影響內(nèi)源性的代謝物，通過開展相應(yīng)的空間代謝組學(xué)研究，這有助于制定有效的污染物控制策略和保護(hù)人類健康。
近日，由北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院萬祎教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國疾病預(yù)防控制中心等多個(gè)單位，在知名期刊 “Environmental Science & Technology”發(fā)表“Spatially Resolved Co-Imaging of Polyhalogenated Xenobiotics and Endogenous Metabolites Reveals Xenobiotic-Induced Metabolic Alterations”論文，使用AFADESI-Orbitrap質(zhì)譜成像平臺(tái)對(duì)斑馬魚體內(nèi)九個(gè)器官中的中短鏈氯化石蠟 (SCCP)、 中鏈氯化石蠟(MCCP)、六溴環(huán)十二烷(HBCD)等持久性有機(jī)污染物的空間分辨毒代動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了全面表征，通過對(duì)這些新型污染物誘導(dǎo)其內(nèi)源性代謝物的變化，從空間角度評(píng)估污染物的分布和生物效應(yīng)的必要性。
萬祎教授團(tuán)隊(duì)提出了一種高靈敏的質(zhì)譜成像方法，采用氣流輔助電離(AFADESI)和 Orbitrap 質(zhì)譜儀聯(lián)用系統(tǒng)，在噴霧溶劑中加入四苯基氯化膦(Ph4PCl)，可以顯著增強(qiáng)各種多鹵化烷基化合物(如CPs、HBCD、DP和硫丹)電離成[M + Cl]− 形式，并同時(shí)測定多鹵代化合物和代謝物的空間分布。多鹵化合物和代謝物的聯(lián)合成像顯示了 HBCD 和 CPs 的主要累積器官和母體轉(zhuǎn)移，并闡明了 HBCD 的生殖毒性。CPs 會(huì)降低肝臟、心臟、大腦中多胺/肌苷相關(guān)代謝物和脂質(zhì)分子的濃度。
圖1 在新型敞開式質(zhì)譜成像技術(shù)(AFADESI-Orbitrap)平臺(tái)上對(duì)多鹵代烷基和內(nèi)源性代謝物進(jìn)行 Ph4PCl 增強(qiáng) MSI 分析，暴露于 SCCP、MCCP 和 HBCD 誘導(dǎo)的斑馬魚空間代謝改變。(a)各器官中受 SCCP、MCCP 和 HBCD 影響的代謝物熱圖；(b)受影響代謝物在斑馬魚體內(nèi)的特定轉(zhuǎn)化關(guān)系，藍(lán)點(diǎn)、紅點(diǎn)和綠點(diǎn)分別代表參與氨基酸代謝、脂質(zhì)代謝和嘌呤代謝的代謝物，實(shí)線和虛線箭頭分別代表一步反應(yīng)和多步反應(yīng)；斑馬魚暴露于 MCCP(c)、SCCP(d)和 HBCD(e)24 天后代謝物的 MSI 圖像。
研究表明，隨著斑馬魚暴露時(shí)間的推移，SCCP 從開始時(shí)在鰓和心臟分布(圖2)，到暴露 10 天后，SCCP 在所有器官中均達(dá)到最高濃度，其中鰓、肝臟和心臟的濃度最高。當(dāng) SCCP 信號(hào)減弱時(shí)，SCCP 在腎臟中的比例增加，表明 SCCP 在一定時(shí)間后通過腎臟排泄。MCP 主要積聚的器官與 CSSP 相似，但 MCP 濃度在暴露 3 天后在這些器官中達(dá)到最高水平，并隨著暴露時(shí)間的增加而逐漸降低。
圖2 SCCP、MCCP 和 HBCD 的空間分辨毒代動(dòng)力學(xué)。(a)SCCP、MCCP 和 HBCD 在斑馬魚和胚胎中隨暴露時(shí)間的分布；(b)SCCP、MCCP 和 HBCD 在肝臟和大腦中濃度的變化；(c)腎臟和大腦中 SCCP、MCCP 和 HBCD 比例的變化；(d)HBCD 在各器官中的百分比。
質(zhì)譜成像技術(shù)分析清楚的區(qū)分了早期發(fā)育卵泡和成熟/產(chǎn)卵卵泡，在 HBCD 處理的斑馬魚中，PC 和 PE 在含有成熟卵泡的區(qū)域高濃度存在(圖3)，斑馬魚卵泡發(fā)育早期組織病理學(xué)檢查顯示卵黃形成明顯減少，這是雌性芳香酶抑制的可靠標(biāo)志。因此，接觸 HBCD 可能會(huì)破壞早期卵泡的發(fā)育，損害卵巢成熟卵子的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致生殖毒性。
圖3 HBCD 母體轉(zhuǎn)移和生殖毒性。(a)暴露化合物(SCCP、MCCP 和 HBCD)和磷脂在斑馬魚和卵中的分布和定位；(b)對(duì)照組和暴露組斑馬魚產(chǎn)卵數(shù)量；(c)對(duì)照組和 HBCD 暴露組斑馬魚卵巢早期卵泡的組織病理學(xué)變化，藍(lán)色箭頭代表卵黃形成減少；(d)對(duì)照組和暴露組斑馬魚卵巢中 lhcgr 基因的表達(dá)。
此前，尚無研究可實(shí)現(xiàn)外源物質(zhì)空間分布的同步測繪和用于全身評(píng)估的內(nèi)源代謝物，這將有助于理解分子毒性機(jī)制。在本研究中，萬祎教授團(tuán)隊(duì)基于 AFADESI 結(jié)合 Q Exactive Plus 高分辨質(zhì)譜成像平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了將含有多鹵代烷基不易電離的POPs化合物(例如硫丹、CP 和 DP)等物質(zhì)進(jìn)行質(zhì)譜成像。
AFADESI+Orbitrap 質(zhì)譜成像系統(tǒng)能準(zhǔn)確的判斷生物組織內(nèi)化學(xué)物質(zhì)分布，生成清晰的質(zhì)譜成像圖，并充分體現(xiàn)微區(qū)代謝物的特異性分布特征，檢測靈敏度可達(dá) pg 級(jí)別， 搭載 Orbitrap 平臺(tái)的質(zhì)譜成像數(shù)據(jù)具有高穩(wěn)定性，連續(xù)采集的穩(wěn)定性帶來更準(zhǔn)確的化合物空間分布結(jié)果，精確檢定代謝物。
AFADESI-Orbitrap 質(zhì)譜成像平臺(tái)
(AFADESI 成像離子源可適配于 Thermo Scientific™ Q Exactive™ 或 Orbitrap Exploris™ 系列質(zhì)譜儀)
質(zhì)譜成像技術(shù)將助力科研工作者深入環(huán)境毒理學(xué)研究，更直觀的可視化毒性物質(zhì)在生物體內(nèi)的分布和代謝，有助于揭示毒性物質(zhì)在生物體中的轉(zhuǎn)運(yùn)途徑和潛在的毒性靶點(diǎn)，以及產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物和代謝途徑，識(shí)別潛在的毒性靶點(diǎn)和生物學(xué)途徑，為深入了解毒性機(jī)制并為環(huán)境保護(hù)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。
質(zhì)譜成像技術(shù)能在組織的 μm 尺度下繪制目標(biāo)污染物或代謝靶分子的空間分布，結(jié)合時(shí)間變化有助于解析污染物在生物體的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化過程，快速弄清污染物的毒代動(dòng)力學(xué)過程，還能實(shí)現(xiàn)致毒物質(zhì)和效應(yīng)分子的空間共定位，幫助識(shí)別污染物的主要累積器官和關(guān)鍵作用靶點(diǎn)。
持久性有機(jī)污染物的污染治理離不開環(huán)境介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)制定，而這個(gè)過程需要通過污染物的毒代動(dòng)力學(xué)研究構(gòu)建內(nèi)外暴露的量化關(guān)系，質(zhì)譜成像技術(shù)能夠快速幫助弄清污染物的富集器官和毒代動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并基于毒性分析對(duì)污染物的暴露風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行初步判斷。
氯化石蠟、六溴環(huán)十二烷、有機(jī)氯等多鹵化合物不含可電離官能團(tuán)，在現(xiàn)有的成像離子源中無法分析，而 AFADESI-Orbitrap 質(zhì)譜成像平臺(tái)充分發(fā)揮了四苯基氯化膦的氯增強(qiáng)電離特性，高電離效率也顯著降低了基質(zhì)效果，空間分辨率保持在 50-200 μm，實(shí)現(xiàn)了多種持久性有機(jī)污染物接近環(huán)境濃度的質(zhì)譜成像。
萬祎
北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院環(huán)境學(xué)系博雅特聘教授，博士生導(dǎo)師
研究領(lǐng)域?yàn)榄h(huán)境化學(xué)，研究方向?yàn)榄h(huán)境毒理和健康，主要從事微量有毒有害污染物的環(huán)境暴露及毒理效應(yīng)研究，迄今在 PNAS 等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表百余篇 SCI 論文。曾獲國家自然基金委優(yōu)秀青年和杰出青年基金、教育部青年長江學(xué)者、中組部萬人青年拔尖項(xiàng)目和北京市杰出青年基金。
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