環(huán)境與生物生存息息相關(guān)，而環(huán)境污染也對(duì)人類等生物的健康產(chǎn)生威脅，例如微塑料/納米塑料（MPs/NPs）的危害目前已經(jīng)波及到越來(lái)越大的范圍，因此關(guān)于納米塑料危害的研究熱度一直居高不下。西北農(nóng)林科技大學(xué)李振宇教授團(tuán)隊(duì)于2024年5月在?Journal of Hazardous materials?期刊發(fā)表題為“ Nanoplastics induced health risk: Insights into intestinal barrier homeostasis and potential remediation strategy by dietary intervention ” 的研究論文，研究了老化NPs對(duì)腸道屏障穩(wěn)態(tài)的影響，并通過(guò)轉(zhuǎn)錄組學(xué)和分子生物學(xué)分析探討了槲皮素對(duì)老化NPs毒性的緩解作用。
文章標(biāo)題：Nanoplastics induced health risk: Insights into intestinal barrier homeostasis and potential remediation strategy by dietary intervention
發(fā)表期刊：Journal of Hazardous materials?
影響因子：12.2
合作單位：西北農(nóng)林科技大學(xué)
研究對(duì)象：對(duì)照組及老化NPs處理小鼠
研究方法：轉(zhuǎn)錄組+qPCR+ELISA等
百邁客生物為該研究提供了轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)服務(wù)。
研究背景
微塑料/納米塑料（MPs/NPs）是由較大的塑料碎片的老化過(guò)程形成的，會(huì)造成對(duì)免疫穩(wěn)態(tài)的破壞和腸道功能障礙，人類攝取MPs/NPs的方式主要是通過(guò)攝入食物和飲料，MPs/NPs被魚(yú)類或海洋生物攝入后通過(guò)食物鏈積累并以食物方式進(jìn)入人體，老化的納米塑料（NPs）具有獨(dú)特的環(huán)境作用特性，如表面粗糙、高氧含量等，有研究強(qiáng)調(diào)了老化NPs的潛在危害，但目前的研究為老化NPs污染修復(fù)提供了策略，槲皮素的飲食干預(yù)是解決老化NPs健康風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)新見(jiàn)解。
槲皮素 （Que） 占膳食總黃酮類化合物的 60-75%，是一種天然化合物，存在于人類飲食中的各種食物中，包括蔬菜、水果和茶，Que 及其衍生物可以調(diào)節(jié)多個(gè)細(xì)胞內(nèi)靶標(biāo)和細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程的能力，具有抗氧化和抗炎分子的作用，探索膳食補(bǔ)充劑 Que 是否可以改善 NPs 誘導(dǎo)的腸道屏障功能障礙具有重要意義。本研究通過(guò)轉(zhuǎn)錄組學(xué)、組織病理學(xué)和免疫學(xué)分析探討老化 NPs 暴露下腸道屏障損傷的機(jī)制，此外，還評(píng)估了 Que 在老化 NPs 暴露下對(duì)腸道屏障的積極影響。
材料方法
材料：對(duì)照組（攝入去離子水）；老化NPs（攝入146 mg/kg/d老化NPs）；老化NPs+Que（攝入146 mg/kg/d老化NPs和80 mg/kg Que），取三組小鼠的腸道組織；
方法：轉(zhuǎn)錄組+qPCR+ELISA等
研究結(jié)果
采用RNA測(cè)序（RNA-seq）檢測(cè)老化NPs和Que對(duì)腸道的影響，與對(duì)照組相比，老化NPs共鑒定出363個(gè)差異表達(dá)基因（DEGs），包括254/ 109個(gè)上調(diào)/下調(diào)基因，與老化NPs相比，老化NPs+Que組中的DEGs為562個(gè)，包括347/215個(gè)上調(diào)/下調(diào)基因，GO富集結(jié)果顯示老化NPs暴露后，顯著富集集中在生物過(guò)程中，如肌肉細(xì)胞命運(yùn)決定、程序性細(xì)胞死亡的調(diào)節(jié)和凋亡過(guò)程的負(fù)調(diào)控。
細(xì)胞成分中最突出的基因Term是線粒體，鑒定出45個(gè)DEGs，值得注意的是，老化的NPs影響了與氧化還原酶活性和泛醌細(xì)胞色素-c還原酶活性相關(guān)的活性，這些發(fā)現(xiàn)表明，老化的NPs會(huì)導(dǎo)致氧化應(yīng)激、線粒體損傷和細(xì)胞凋亡，線粒體損傷激活線粒體凋亡通路，該通路在凋亡中起著重要作用，表明老化的NPs激活線粒體凋亡通路，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡。而增加Que后，差異基因顯著細(xì)胞代謝和細(xì)胞分解中，如氮化合物代謝、轉(zhuǎn)移酶活性、正調(diào)控DNA修復(fù)等，KEGG富集結(jié)果顯示，老化NPs組差異基因參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、免疫系統(tǒng)、癌癥、轉(zhuǎn)運(yùn)和轉(zhuǎn)分解代謝等通路，Que治療后癌癥的細(xì)胞代謝途徑和途徑顯著富集，此外，Que干預(yù)改變了自由基代謝，如化學(xué)致癌-活性氧和GSH代謝，qPCR結(jié)果驗(yàn)證了相關(guān)基因表達(dá)。
組織病理學(xué)結(jié)果顯示，老化NPs組的血清DAO、d-Lac和LPS水平顯著高于對(duì)照組，說(shuō)明老化NPs誘導(dǎo)的腸道通透性增加，而Que降低了這些升高的水平，恢復(fù)了腸道屏障的完整性。形態(tài)學(xué)結(jié)果顯示老化NPs組的腸絨毛結(jié)構(gòu)有萎縮、變形、長(zhǎng)度減少等結(jié)構(gòu)損傷，Que治療可減輕老化NPs引起的組織學(xué)損傷，促進(jìn)腸腺體恢復(fù)，保留絨毛形態(tài)，減少淋巴細(xì)胞浸潤(rùn)，值得注意的是，Que保護(hù)了腸道內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但對(duì)腸上皮和管腔之間的界面影響較小。
血清肌酐等指標(biāo)結(jié)果顯示，老化NPs刺激顯著增加了血清中標(biāo)記物的水平，表明細(xì)胞旁通透性增強(qiáng)，Que減弱了細(xì)胞旁通透性，恢復(fù)了接近對(duì)照的標(biāo)記水平，這些結(jié)果說(shuō)明腸道屏障的破裂主要?dú)w因于腸上皮細(xì)胞的丟失和死亡，而不是緊密連接的破壞。磨蝕效應(yīng)和程序性細(xì)胞死亡可能為損傷的主要原因。TUNEL結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比，老化NPs組的熒光標(biāo)記細(xì)胞更多，而老化NPs+Que染色的上皮細(xì)胞數(shù)量減少，表明Que對(duì)上皮細(xì)胞凋亡具有保護(hù)作用。JNK通路的激活通過(guò)bax-線粒體途徑促進(jìn)細(xì)胞凋亡，MAPK信號(hào)通路是KEGG富集通路之一，它在細(xì)胞凋亡過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，p-JNK作為MAPK通路的一個(gè)主要分支，p-JNK在老化NPs組顯著增強(qiáng)，此外，衰老的nps也增加了JNK的靶蛋白c-Jun的磷酸化水平，結(jié)果表明，老化NPs通過(guò)JNK信號(hào)通路激活bax-線粒體凋亡通路，從而誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。在老化NPs處理中，DHE染色顯示出較高的紅色熒光密度和明顯的亮點(diǎn)，表明ROS水平較高，而在老化NPs+Que中沒(méi)有，添加Que顯著降低了老化NPs處理后高過(guò)氧化氫和?O2-的存在，NOX活性測(cè)定結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比，老化NPs和老化NPs+Que處理均導(dǎo)致NOX活性增加，且之間無(wú)顯著差異，表明Que的主要作用是作為一種自由基清除劑，而不是一種自由基生成的抑制劑。
為了探討細(xì)胞凋亡的發(fā)生機(jī)制，該研究分析了細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的改變和凋亡相關(guān)蛋白的表達(dá)，正常腸內(nèi)細(xì)胞核完整，細(xì)胞膜光滑，微絨毛排列整齊，線粒體結(jié)構(gòu)清晰，暴露于老化NPs會(huì)導(dǎo)致腸上皮細(xì)胞中微絨毛的部分缺失，此外，還發(fā)生了細(xì)胞扭曲，細(xì)胞分裂包括細(xì)胞核解體（黑色箭頭）、染色質(zhì)凝結(jié)（紅色箭頭）和細(xì)胞質(zhì)密度增加。老化NPs小鼠的線粒體出現(xiàn)水腫、空泡化和破裂，并伴有嵴的紊亂和破壞（黃色箭頭），提示細(xì)胞凋亡和線粒體損傷。老化NPs+Que小鼠的微絨毛排列更長(zhǎng)、更有規(guī)律，表明Que對(duì)老化NPs誘導(dǎo)的損傷有有益作用。
此外，Que減輕了腸道內(nèi)線粒體的混亂和空泡化，同時(shí)也消除了凋亡小體。與對(duì)照組和老化NPs組相比，老化NPs+Que組的細(xì)胞核中Nrf2水平顯著升高，相反，在老化NPs+Que處理后，細(xì)胞質(zhì)中Nrf2含量下降，這表明Que誘導(dǎo)的Nrf2核易位增強(qiáng)，與對(duì)照組相比，老化NPs導(dǎo)致p-p38/總p38、p-JNK/總JNK和p-c-Jun/cJun的比值顯著增加，然而，在老化NPs+Que中觀察到它們的顯著減少。這表明Que抑制了p38、JNK和c-Jun的磷酸化。
研究總結(jié)
總的來(lái)說(shuō)，該研究發(fā)現(xiàn)了膳食化合物對(duì)改善NPs引起的腸道損傷的潛力，老化NPs激活了免疫防御，最終增加了ROS的生成，引起全身炎癥，其誘導(dǎo)的JNK磷酸化觸發(fā)了c-Jun/AP-1靶基因的表達(dá)，促進(jìn)了線粒體Bax易位，最終導(dǎo)致凋亡過(guò)程。Que作為一種外源性膳食抗氧化劑，促進(jìn)Nrf2轉(zhuǎn)位到細(xì)胞核，上調(diào)其下游靶基因HO-1和GSH，有效降低老化NPs誘導(dǎo)的腸道ROS水平和氧化應(yīng)激。此外，Que刺激了MKP-1和GSTπ的表達(dá)，從而抑制了MAPK中關(guān)鍵酶的激活，從而逆轉(zhuǎn)了老化NPs誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡和炎癥反應(yīng)。然而，Que可能不能有效緩解老化NPs引起的機(jī)械損傷，有待進(jìn)一步研究揭示其潛在機(jī)制，結(jié)果表明，Que可減輕因消耗老化NPs而引起的腸道氧化應(yīng)激、炎癥和細(xì)胞凋亡，因此，富含Que的飲食在解決和逆轉(zhuǎn)老化NPs造成的腸道損傷方面具有重要的前景。它證明了NPs的環(huán)境相關(guān)毒性，并為糾正NPs污染造成的人類健康風(fēng)險(xiǎn)提供了一種可能的飲食策略。
參考文獻(xiàn)：
Meng X, Ge L, Zhang J, Xue J, Gonzalez-Gil G, Vrouwenvelder JS, Guo S, Li Z.Nanoplastics induced health risk: Insights into intestinal barrier homeostasis and potential remediation strategy by dietary intervention. J Hazard Mater.?2024 Jul 5;472:134509. doi: 10.1016/j.jhazmat.2024.134509. Epub 2024 May 3.
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