《Journal of Hazardous Materials》基于單細(xì)胞拉曼光譜結(jié)合脂質(zhì)組學(xué)分析揭示聚丙烯微塑料對(duì)小鼠肝臟脂質(zhì)代謝的影響

2023年6月21日，吉林大學(xué)張大奕教授、浙江中醫(yī)藥大學(xué)劉明英副教授團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用長光辰英核心產(chǎn)品——P300共聚焦拉曼光譜儀在《Journal of Hazardous Materials》期刊上發(fā)表了題為“Impacts of polypropylene microplastics on lipid profiles of mouse liver uncovered by lipidomics analysis and Raman spectroscopy”的論文。該研究創(chuàng)新性采用共聚焦拉曼光譜和脂質(zhì)組學(xué)相結(jié)合的技術(shù)，觀察到了聚丙烯微塑料在小鼠肝臟中的蓄積，揭示了聚丙烯微塑料的攝入對(duì)小鼠肝臟脂質(zhì)代謝的影響。
 
 

• 研究背景

微塑料（MPs）是一種直徑小于5 mm的塑料顆粒。作為一種新污染物，微塑料主要由環(huán)境中的塑料顆粒經(jīng)過機(jī)械（如磨損和紫外線輻射）、化學(xué)反應(yīng)（如光解，水解和熱解等）和生物分解（如細(xì)菌和真菌）等作用下產(chǎn)生。盡管已有大量學(xué)者針對(duì)微塑料環(huán)境賦存狀態(tài)和健康影響開展了研究工作，現(xiàn)階段聚丙烯微塑料對(duì)肝臟脂質(zhì)代謝研究較少。本研究通過脂質(zhì)組學(xué)和拉曼光譜分析揭示了聚丙烯微塑料在小鼠肝臟中的蓄積現(xiàn)象，刻畫了聚丙烯微塑料影響下的小鼠肝臟脂質(zhì)代謝組學(xué)變化，為進(jìn)一步評(píng)估微塑料健康風(fēng)險(xiǎn)提供了技術(shù)手段和數(shù)據(jù)支撐。

二、研究內(nèi)容
該研究建立了雄性SPF ICR小鼠的聚丙烯微塑料飲用水暴露模型，將5周齡的SPF ICR小鼠隨機(jī)分為聚丙烯微塑料飲用水暴露7天低劑量暴露組（7TL）、7天高劑量暴露組（7TH）、42天低劑量暴露組（42TL）、42天高劑量暴露組（42TH）和對(duì)照組（7CK,42CK）。所有聚丙烯微塑料處理組的小鼠均接受含有聚丙烯微塑料的飲用水，低劑量和高劑量暴露組中的聚丙烯微塑料含量分別為100 μg/L（TL處理）和1000 μg/L（TH處理），對(duì)照組飲用水采用無微塑料污染的dddH₂O。
研究首先使用共聚焦拉曼光譜儀測(cè)定了商用聚丙烯微塑料的顆粒特性，其直徑約為10-20 µm。拉曼光譜特征指紋峰位于811、842、970、1169、1330、1459、2841、2884 和 2956 cm^-1。肝臟組織經(jīng)消解后，使用共聚焦拉曼光譜儀發(fā)現(xiàn)了與上述特征峰一致的微小碎片，經(jīng)PCA-LDA分析后確認(rèn)該微小碎片為聚丙烯微塑料，濃度為266-855個(gè)/只小鼠肝臟（圖2），證實(shí)了聚丙烯微塑料可以通過飲水?dāng)z入方式進(jìn)入并富集于小鼠肝組織。
PLS-DA模型將6個(gè)處理脂質(zhì)組聚類為兩組，一組包括7CK、42CK和42TL,另一組包括7TL、7TH和42TH（圖3A）。進(jìn)一步識(shí)別了不同組別中顯著重要的脂質(zhì)代謝生物標(biāo)志物，并分析了相同聚丙烯微塑料暴露時(shí)間（7天或42天）和不同聚丙烯微塑料暴露劑量（TL或TH）的脂質(zhì)代謝生物標(biāo)志物。結(jié)合聚丙烯微塑料暴露劑量和時(shí)間，最終確認(rèn)表現(xiàn)聚丙烯微塑料暴露綜合影響的脂質(zhì)組生物標(biāo)志物，包括脂肪酸306(20:3)和三酰甘油(C50:4和C50:1/C51:8)（圖3）。

利用拉曼光譜的非侵入性檢測(cè)特性，測(cè)定了不同處理組中肝細(xì)胞的生物拉曼光譜，建立了6組小鼠肝細(xì)胞生物大分子關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)庫，并識(shí)別出了典型生物拉曼光譜特征峰（圖4A）。PCA-LDA多變量分析結(jié)果表明，石蠟對(duì)生物拉曼光譜無明顯干擾，生物拉曼光譜特征可以將6個(gè)處理組分成兩組，第一組包括7TH、7TL和42TH，第二組包括7CK、42CK和42TL（圖4B），與上述脂代謝組學(xué)數(shù)據(jù)分析結(jié)果一致，表明共聚焦生物拉曼光譜可以有效預(yù)測(cè)脂質(zhì)組學(xué)的變化。參考脂肪酸不飽和度計(jì)算公式n(C-C)/n(CH₂)，本研究使用1658 cm^-1 (C-C stretching)和1442 cm^-1(CH₂ stretching)處拉曼光譜特征峰強(qiáng)度來表示脂質(zhì)的不飽和度，依次為7TH (0.9657) > 7TL (0.7940) > 7CK (0.7810) > 42TH (0.7704) > 42TL (0.7139) > 42CK (0.6920)。結(jié)果表明，肝臟脂質(zhì)不飽和度與聚丙烯微塑料暴露劑量成正比，與聚丙烯微塑料暴露時(shí)間成反比。
 
三、結(jié)論
本研究結(jié)合脂質(zhì)組學(xué)和生物拉曼光譜技術(shù)，證實(shí)了聚丙烯微塑料暴露會(huì)造成小鼠肝臟組織聚丙烯微塑料蓄積，并顯著影響了肝臟脂質(zhì)代謝功能。小鼠肝臟聚丙烯微塑料含量為266-855個(gè)/肝，脂質(zhì)組學(xué)結(jié)果表明聚丙烯微塑料可以通過影響脂滴的形成來干擾能量存儲(chǔ)和肝臟脂代謝。拉曼光譜揭示了不飽和脂肪酸的顯著變化，進(jìn)一步證明了聚丙烯微塑料對(duì)肝細(xì)胞代謝和對(duì)細(xì)胞膜成分的影響。本研究結(jié)果證明，生物拉曼光譜可以用于評(píng)估脂質(zhì)代謝變化，為脂質(zhì)組學(xué)研究中提供了一種精確評(píng)估的技術(shù)手段。
 
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.131918