科研| ECOTOX ENVIRON SAFE:肠道环境疾病与全氟辛烷磺酸暴露引起的组织损伤有关(国人佳作)

编译:文文,编辑:谢衣、江舜尧。

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导读

全氟辛烷磺酸(PFOS)是最近发现的一种持久性有机污染物,通过生物积累和食物链在生物体内富集。PFOS能够诱发包括肝毒性,神经毒性和代谢异常在内的多种疾病。但是,PFOS对肠道环境的影响仍是未知的。来自江南大学食品学院等研究机构的研究人员发现,PFOS会损害肠道环境的各个方面(包括微生物群,短链脂肪酸和屏障功能),从而加剧与肝脏,肠道和代谢紊乱有关的毒性。

论文ID

原名:Intestinal environmental disorders associate with the tissue damages induced by perfluorooctane sulfonate exposure

译名:肠道环境疾病与全氟辛烷磺酸暴露引起的组织损伤有关

期刊:Ecotoxicology and Environmental Safety

IF:4.527

发表时间:2020.4

通讯作者:赵建新&吴彦民

通讯作者单位:江南大学食品学院&江南大学附属医院

实验设计

研究的总体目标评估了全氟辛烷磺酸(PFOS)对C57BL/6J雄性小鼠的作用,并探讨了组织损伤与肠道环境之间的关系。连续16天对小鼠进行口服PFOS治疗(低剂量:0.3μg/g;中剂量:3μg/g;高剂量:30μg/g)。通过检查肝脏中的炎症反应和血清肝酶浓度来评估肝损害。通过肝胆固醇水平和血清中葡萄糖、高密度脂蛋白胆固醇、总胆固醇和甘油三酸酯浓度来评估代谢功能。通过评估肠道菌群、短链脂肪酸(SCFAs)产生、炎症反应和肠道紧密连接蛋白表达来评估肠道环境疾病。

实验结果

1 PFOS引起小鼠体重,采食量和脏器指数的变化

PFOS治疗16天后,观察到小鼠体重和采食量下降(图1A和B)。脏器指数是毒性的重要指标。脏器指数增加表明充血、水肿、增生或肥大等变化,而下降则表明萎缩或生长迟缓。对肝脏指数、肾脏指数和脾脏指数进行分析。PFOS剂量越高小鼠肝脏指数越高,肾脏指数无显著差异,只有高剂量组脾脏指数显著降低(图1C-E)。结果表明,PFOS在小鼠中具有明显的肝毒性。高剂量PFOS观察到轻微的脾萎缩表明该化学物质具有免疫抑制作用。

图1 PFOS对成年雄性C57BL/6J小鼠体重,采食量脏器指数的影响

2 PFOS诱发肝脏病理和炎症反应

通过肝脏HE染色进行组织病理学分析。对照组显示出正常的小叶结构和肝细胞形态,肝索排列有序,细胞核质分布正常。PFOS处理后,低剂量组细胞间空间变大,混乱程度高;中剂量组肝脏显示出炎性细胞浸润,肝细胞排列更紊乱,水肿更明显;高剂量组中发现肝小叶结构不清楚,肝细胞核明显收缩,并且在某些肝细胞的肝索中未发现核(图2A)。结果表明,肝细胞显示出不同程度的肿胀和核迁移,高剂量组变化最为明显。

肝指数和组织损伤的增加伴随着肝酶功能的改变。肝脏是ALP,AST,ALT和γ-GT的主要生产者。当肝脏发炎或受损时,会观察到这些肝酶的血清浓度升高。PFOS处理能够显著升高血清ALT,ALP和γ-GT水平,但血清AST无明显变化(图2B-E)。接下来分析PFOS对肝脏炎症的影响。PFOS能够降低肝脏TNF-α浓度,增加IL-1β和IL-10浓度(图2F-H)。以上结果表明,PFOS可引起肝脏肿大,肝细胞病变形成和肝脏炎症。

图2 PFOS对成年雄性C57BL/6J小鼠肝脏的影响

3 PFOS引起不同程度的氧化损伤和脂代谢失调

接下来,测量肝脏中CAT,GSH,T-AOC和MDA的水平,确定施用PFOS是否能够引起肝脏氧化应激。PFOS能够增加肝脏中MDA,CAT,GSH和T-AOC水平(图3A-D)。以上结果表明,出现了一种自我保护机制,可抵御PFOS引起的氧化损伤。

接下来研究PFOS是否会破坏脂质代谢。高剂量PFOS组血清GLU浓度降低,相反,中、低剂量组血清GLU浓度升高(图3E)。PFOS还能够降低血清中HDL-C,TC和TG(的浓度(图3F-H)。肝脏TC浓度在高剂量组明显增加,但在中、低剂量组浓度降低(图3I),表明PFOS在高剂量时会损害肝胆固醇的代谢。

胆汁酸合成是胆固醇降解的主要途径。CYP7A1是一种介导胆固醇转化为胆汁酸的关键酶。随着PFOS剂量的增加,肝脏中CYP7A1的含量显著降低(图3J)。说明,高剂量PFOS通过影响胆固醇的运输和转化增加肝胆固醇的积累。也就是说,PFOS可能会导致代谢损伤。

图3 成年雄性C57BL/6J小鼠肝脏中与PFOS相关的氧化损伤和脂质代谢改变

4 PFOS破坏肠道屏障和短链脂肪酸产生

分析结肠中的促炎性和抗炎性细胞因子表达,确定PFOS是否引起小鼠肠道炎症。与肝脏中观察到的炎症反应相似,中、高剂量PFOS处理后降低了结肠组织中TNF-α浓度,增加IL-1β和IL-10浓度(图4A-C)。说明PFOS会在结肠中引起明显的炎症反应。

进一步分析结肠中编码紧密连接蛋白的mRNA的表达。PFOS处理后,ZO-1,occludin和claudin-1的表达均显著低于对照组(图4D-F)。结肠中编码紧密连接蛋白的基因表达下降,表明PFOS破坏了肠道屏障。

SCFAs的产生部分反映了肠道健康。对粪便中乙酸,丙酸,丁酸,异丁酸和戊酸水平进行评估。其中乙酸最为丰富,且其在粪便中浓度经过高剂量PFOS处理后显著降低(图4G)。此外,在高、中剂量组的粪便样本中未检测到戊酸(图4H)。以上结果表明,高剂量PFOS能够显著影响粪便中乙酸和戊酸的水平。

图4 PFOS对成年雄性C57BL/6J小鼠结肠中炎症,紧密连接蛋白和短链脂肪酸产生的影响

5 PFOS破坏肠道菌群和PICRUSt通路的预测

由于PFOS会影响粪便中SCFAs的数量,接下来使用16S RNA测序检查PFOS对肠道菌群的影响。α多样性分析结果表明,高剂量PFOS处理后,Chao1指数和Simpson指数均显著降低,表明群落丰富度和多样性降低(图5A)。此外,PFOS以剂量依赖性方式显著影响肠道菌群的β多样性(图5B)。分析PFOS对肠道微生物群在门水平上的影响,PFOS处理后,变形菌和厚壁菌的丰度剂量依赖性降低,拟杆菌丰度剂量依赖性增加。厚壁菌和拟杆菌的比值(F/B)是反映肠道菌群紊乱的重要参数,PFOS能够降低F/B(图5C)。LEfSe分析粪便中不同肠道菌群的丰度(图5D)。PFOS会引起肠道菌群的多种变化。在纲水平上,PFOS显著降低γ-变形杆菌丰度;在目水平上,PFOS显著降低梭菌、肠杆菌和乳杆菌丰度;在科水平上,PFOS处理后,丹毒丝菌丰度降低,理研菌和瘤胃菌丰度增加;在属水平上,PFOS显著降低布劳特氏菌丰度(图5E)。肠道菌群的PICRUSt途径分析结果表明,PFOS主要影响代谢途径(如脂肪细胞因子信号传导途径、鞘脂生物合成和硫辛酸生物代谢)以及某些内分泌系统(如类固醇激素生物合成、类黄酮生物合成)(图5F)。

图5 PFOS对成年雄性C57BL/6J小鼠肠道菌群的影响

结论

肠道菌群是人类新陈代谢的关键因素。许多动物包括人类,生活在包含可能会影响肠道菌群的各种污染物的环境中。接触这些污染物可能会破坏肠道菌群并引发下游效应。我们的研究结果表明,PFOS处理后,雄性C57BL/6J小鼠的肝毒性和结肠毒性可能与肠道环境的显著变化有关。

原文网址:https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2020.110590
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