妊娠期暴露于環(huán)境污染物可能干擾胎兒發(fā)育并伴隨遠期健康風(fēng)險，疏水性持久性有機污染物(POPs)對胎兒發(fā)育的危害是環(huán)境毒理學(xué)的研究熱點。傳統(tǒng)研究污染物母子傳遞多依賴于分娩時的母胎樣本比較，缺少妊娠各階段污染物的時空分布信息。質(zhì)譜成像驅(qū)動的空間代謝組學(xué)技術(shù)能原位獲取數(shù)千種分子的空間分布信息，結(jié)合多組學(xué)技術(shù)，有望成為解析污染物母胎傳遞機制的全新策略。
近日，北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院萬祎教授團隊在《Advanced Science》上發(fā)表研究論文，研究采用Ph4PCl增強的AFADESI-Orbitrap質(zhì)譜成像技術(shù)，首次可視化呈現(xiàn)外源污染物與內(nèi)源代謝物在妊娠全程的空間分布及積累動態(tài)，結(jié)合多組學(xué)技術(shù)，鑒定出關(guān)鍵污染物轉(zhuǎn)運蛋白SR-B1并闡明轉(zhuǎn)運機制，明確孕早期向血營養(yǎng)過渡階段為胎兒暴露的關(guān)鍵窗口期，為孕期環(huán)境污染物風(fēng)險評估與防控提供了全新的科學(xué)依據(jù)。
質(zhì)譜成像技術(shù)突破：實現(xiàn)毒物與代謝物的同步空間可視化
疏水性 POPs 因缺乏可電離官能團，其組織內(nèi)空間分布的直接成像一直是技術(shù)難點。萬祎教授團隊此前通過在噴霧溶劑中添加四苯基氯化膦(Ph?PCl)，結(jié)合AFADESI-Orbitrap質(zhì)譜成像技術(shù)，顯著提升了鹵代烷烴類物質(zhì)的檢測靈敏度，為此類疏水性污染物的高靈敏檢出建立了良好基礎(chǔ)。(DOI:10.1021/acs.est.3c05817)
本研究沿用該技術(shù)，首次實現(xiàn)了疏水性污染物中鏈氯化石蠟（MCCPs）在胎盤與胎鼠組織中的全妊娠期空間分布可視化。結(jié)果顯示，在胎盤中，MCCPs在妊娠早期(E10.5–E12.5)時于胎盤迷路區(qū)(LZ)濃度最高，迷路區(qū)正是胎盤母胎物質(zhì)交換的核心區(qū)域；而當(dāng)胎盤發(fā)育至E14.5之后，MCCPs在胎盤中的空間分布特征發(fā)生逆轉(zhuǎn)，此時MCCPs在胎盤蛻膜區(qū)(DZ)最高。動態(tài)變化分析表明，MCCPs在LZ區(qū)的濃度于E12.5達到峰值，證實E10.5–E12.5是暴露的關(guān)鍵窗口期。在胎鼠中，中樞神經(jīng)系統(tǒng)在E13.5達到峰值后快速下降，這為后續(xù)解析毒物的器官特異性毒性提供了精準(zhǔn)的空間定位信息。
圖1 疏水性MCCPs(代表性同系物：C16H27Cl7)在發(fā)育中胎盤和胎鼠中的時空異質(zhì)性(點擊查看大圖)
多組學(xué)聯(lián)合鎖定跨胎盤關(guān)鍵轉(zhuǎn)運蛋白SR-B1
為解析孕早期毒物高效跨胎盤轉(zhuǎn)運的分子機制，研究將質(zhì)譜成像空間代謝組學(xué)數(shù)據(jù)與胎盤單細胞核RNA測序snRNA-seq數(shù)據(jù)整合分析，通過t-SNE劃分出滋養(yǎng)層祖細胞(LaTP)及其后代分化細胞(SynTI、SynTII、S-TGC)。發(fā)育動態(tài)顯示，祖細胞在E9.5–E14.5逐漸減少，而構(gòu)成胎盤屏障的分化細胞則逐漸增加。結(jié)合污染物在LZ中E11.5多、E14.5后少的分布趨勢，篩選出在胎盤迷路區(qū)祖細胞中高表達、在分化細胞中低表達的脂質(zhì)相關(guān)蛋白SR-B1，為孕早期介導(dǎo)疏水性毒物跨胎盤轉(zhuǎn)運的關(guān)鍵階段特異性蛋白。經(jīng)空間轉(zhuǎn)錄組和免疫組化驗證，其時空表達模式與污染物及內(nèi)源脂質(zhì)一致。
圖2 胎盤疏水性毒物和脂質(zhì)轉(zhuǎn)運蛋白的鑒定
(點擊查看大圖)
質(zhì)譜成像直觀驗證SR-B1調(diào)控作用
已知SR-B1通過與高密度脂蛋白(HDL)相互作用參與脂質(zhì)運輸，研究推測污染物可能通過該途徑進入胎鼠。細胞攝取與分子對接實驗證實，污染物結(jié)合HDL形成復(fù)合物，由SR-B1介導(dǎo)進入細胞。研究進一步對三組樣本開展成像分析：MCCPs單獨、MCCPs聯(lián)合PPARγ激動劑Rosi(以調(diào)控SR-B1表達)、以及MCCPs聯(lián)合SR-B1抑制劑BLT-1。結(jié)果顯示，Rosi顯著增加MCCPs及多種脂質(zhì)在胎盤迷路區(qū)與胎兒肝臟的分布，BLT-1則顯著減少，直觀驗證了SR-B1對污染物與脂質(zhì)跨胎盤轉(zhuǎn)運的調(diào)控作用。
圖3 SR-B1介導(dǎo)的疏水性MCCPs與脂質(zhì)在體內(nèi)的跨胎盤轉(zhuǎn)運(點擊查看大圖)
污染物妊娠早期暴露誘發(fā)的潛在神經(jīng)毒性
鑒于MCCPs在早期胎兒中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)有明顯分布，研究重點評估了該階段的空間代謝干擾。結(jié)果顯示，E11.5時MCCPs暴露導(dǎo)致胎兒CNS中磷脂酰甘油(PG)、磷脂酰肌醇(PI)、神經(jīng)酰胺(Cer)和二酰甘油(DG)等多種毒性脂質(zhì)顯著升高，并持續(xù)至E17.5。細胞實驗進一步驗證了MCCPs的脂毒性效應(yīng)。該發(fā)現(xiàn)首次證實妊娠早期暴露于疏水性污染物可引起胎兒神經(jīng)脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)的持續(xù)性紊亂。
圖4 早期接觸疏水性毒物與胎兒神經(jīng)脂質(zhì)穩(wěn)態(tài)的持續(xù)破壞相關(guān)(點擊查看大圖)
AFADESI-Orbitrap質(zhì)譜成像開啟孕期毒理研究新范式
此前，污染物轉(zhuǎn)運機制的研究多依賴于分娩時的母胎樣本比較，或更傾向于靶向代謝組學(xué)檢測，缺乏對整個妊娠期(尤其是妊娠早期)污染物與內(nèi)源代謝物時空異質(zhì)性的系統(tǒng)解析。本研究萬祎教授團隊采用AFADESI-Orbitrap質(zhì)譜成像技術(shù)實現(xiàn)污染物與內(nèi)源代謝物的同步高靈敏成像，開展非靶向空間代謝組學(xué)分析，這為解析外源污染物轉(zhuǎn)運機制、發(fā)現(xiàn)潛在毒性提供全新視角。
質(zhì)譜成像技術(shù)將有力推動環(huán)境毒理學(xué)研究向縱深發(fā)展，通過直觀可視化毒性物質(zhì)在生物體內(nèi)的分布與代謝，助力精準(zhǔn)識別潛在毒性靶點與關(guān)鍵生物學(xué)途徑，為深入理解毒性傳遞機制、發(fā)現(xiàn)潛在發(fā)育毒性、開展精準(zhǔn)環(huán)境風(fēng)險評估提供堅實的技術(shù)支撐與創(chuàng)新的方法范式。
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