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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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。
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。
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。
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）。
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。