2024年12月19日，吉林大學張大奕教授團隊聯(lián)合浙江中醫(yī)藥大學劉明英教授團隊在《Chemosphere》期刊發(fā)表了題為“Polypropylene microplastics triggered mouse kidney lipidome reprogramming combined with ROS stress as revealed by lipidomics and Raman biospectra”的論文。文章通過拉曼生物光譜結合脂質(zhì)組學，揭示了聚丙烯微塑料（PP-MPs）通過紊亂脂質(zhì)代謝和誘發(fā)氧化應激失衡引發(fā)小鼠腎臟損傷的分子機制。長光辰英核心產(chǎn)品——P300共聚焦拉曼光譜儀為小鼠腎臟PP-MPs鑒定及腎臟脂質(zhì)動態(tài)監(jiān)測提供了高靈敏度的檢測工具。  

微塑料（MPs）作為新型環(huán)境污染物，已廣泛存在于水體、大氣及生物體內(nèi)，并通過食物鏈富集威脅人類健康。腎臟作為代謝的核心器官之一，其脂質(zhì)代謝依賴脂肪酸氧化，但MPs如何干擾腎臟脂質(zhì)組穩(wěn)態(tài)仍不明確。前期研究表明，聚苯乙烯微塑料可誘導腎臟線粒體功能障礙與炎癥反應，然而聚丙烯(Polypropylene, PP)微塑料對腎臟脂質(zhì)代謝的影響尚未系統(tǒng)解析。本研究聚焦PP-MPs暴露下小鼠腎臟脂質(zhì)組重編程與氧化應激的協(xié)同作用，為評估微塑料腎毒性提供了新視角。 

本研究通過ICR雄性小鼠飲水攝入聚丙烯微塑料（PP-MPs）建立微塑料損傷模型。根據(jù)小鼠是否攝入PP-MPs，分為對照組與PP-MPs暴露組，其中PP-MPs暴露組根據(jù)暴露時間和暴露水平分為7天/42天組和低濃度/高濃度組，具體分組如表1所示。模型構建完成后采集小鼠腎臟組織，采用拉曼光譜與掃描電鏡鑒定腎臟中PP-MPs的分布，采用透射電鏡觀察腎臟超微結構變化，又通過拉曼生物光譜和脂質(zhì)組學，分析了腎臟脂質(zhì)代謝譜，通過生化分析與實時熒光定量PCR檢測脂質(zhì)代謝相關生化指標及關鍵基因表達。 

表1 微塑料損傷小鼠模型分組

圖1 實驗方法流程圖

1. PP-MPs顆粒表征

拉曼光譜與掃描電鏡結果顯示，超聲處理的PP-MPs標品顆粒呈1-12 μm不規(guī)則碎片狀（圖2 A）。在腎臟勻漿中，檢測到一些類似的不規(guī)則顆粒 (圖2 B)。拉曼光譜分析結果表明，這些粒子表現(xiàn)出與PP-MPs標品相似的特征峰(圖2 C)，即1060 cm^-1、1300 cm^-1和1454 cm^-1。這三個特征峰分別對應C-C拉伸、CH變形和CH2變形。該結果證實了暴露后腎臟組織中存在PP-MPs。

圖2 PP-MPs顆粒與腎組織的拉曼光譜鑒定

圖A為超聲處理后的PP-MPs形態(tài)；圖B為腎臟勻漿中疑似PP-MPs的顆粒；圖C為腎臟中PP-MPs與標品特征峰對比

2.拉曼生物光譜表征腎臟脂質(zhì)異常代謝

為確定拉曼光譜的指紋圖譜差異是由微塑料暴露因素引起的，對暴露天數(shù)相同組的腎臟拉曼光譜分別進行了PCA-LDA聚類，獲得了PP-MPs暴露組和CK組之間明顯的光譜分離(圖3 A)。另外，利用600-1800 cm^-1區(qū)間的指紋區(qū)構建了SVM模型進行分類，模型的決策邊界清晰地劃分了六組(圖3 C)，最終準確率在80.65-100.0%之間（圖3 B），達到了滿意的分類效果。該結果表明生物拉曼光譜結合多變量分析和SVM模型可以區(qū)分PP-MPs對腎臟細胞的毒理學影響。

圖3 PP-MPs不同組間腎組織拉曼光譜的多變量分析

圖A為 7天組和42天組腎臟組織拉曼光譜PCA-LDA圖；圖B為基于高斯核支持向量機(SVM)模型的六組拉曼光譜分類；圖C為六組分離SVM模型的決策邊界；圖D為6組腎臟組織平均拉曼生物光譜；圖E-H為圖D中對應拉曼光譜特征峰強度的變化，其中圖E為 506 cm^?1，圖F為1100 cm^?1，圖G為1296 cm^?1，圖H為1442 cm^?1

小鼠腎臟的拉曼生物光譜的特征峰包括506、716、846、896、1100、1266、1296、1328、1442和1658 cm^?1(圖3 D)。對暴露組和對照組所有特征峰進行峰強統(tǒng)計，506、846和896 cm^?1處的峰值強度在7 TL和42 TH中具有相似的下降趨勢，但在7 TH和42 TL組中呈上升趨勢(圖3 E)。在7 TH組和42 TL組中，1100 cm^-1處的峰強增加(圖3 F)。1266和1658 cm^-1峰位主要為不飽和脂肪酸的特征峰，1296 cm^-1與1442 cm^-1則主要代表飽和脂肪酸的振動。因此，采用1658 cm^-1/1442 cm^-1和1266 cm^-1/1296 cm^-1的比值評估單不飽和脂肪酸（MUFA）和多不飽和脂肪酸（PUFA）的含量。結果顯示，隨著PP-MPs暴露水平的增加，1658 cm^-1/1442 cm^-1的比值顯著下降。1266 cm^-1/1296 cm^-1的比值也有類似的趨勢，但在7 TL組中出現(xiàn)了短暫的上升。總體結果表明，微塑料暴露被證實會干擾不飽和脂質(zhì)的分布，并增加MUFA的含量。

3. PP-MPs暴露引起的腎臟脂質(zhì)組變化

為了確定暴露于聚丙烯微塑料后腎臟中改變的脂質(zhì)種類，對小鼠腎臟進行的脂質(zhì)組學分析結果發(fā)現(xiàn)，暴露水平上，隨著暴露水平的提高，甘油三酯和脂肪酸含量上調(diào)；隨著暴露時間的增加，溶血磷脂酰膽堿和溶血磷脂酰乙醇胺上調(diào)，磷脂酰膽堿、溶血磷脂酰膽堿和磷脂酰甘油下調(diào)（圖4 A）。從功能通路分析來看，暴露水平（圖4 B）誘導的脂質(zhì)改變主要與細胞脂質(zhì)轉運(脂肪酸轉運)過程有關。暴露時間（圖4 C）誘導的脂質(zhì)變化主要涉及受體清除、LPC水解、甘油磷脂分解代謝和內(nèi)源性配體對Toll樣受體的調(diào)節(jié)。脂質(zhì)組學結果與拉曼光譜呈現(xiàn)的與細胞氧化還原和脂質(zhì)相關的指紋峰變化相一致。

圖4 各組間脂質(zhì)組學差異結果

圖A為各組間兩兩比較差異脂質(zhì)火山圖區(qū)分，紅點和藍點分別表示各組間上調(diào)和下調(diào)的脂質(zhì)代謝物(僅標記前五種脂質(zhì))；圖B為不同暴露水平的前15組顯著富集的功能通路；圖C為不同暴露時間的前15組顯著富集的功能通路

本研究通過拉曼光譜結合多變量分析與脂質(zhì)組學，揭示了PP-MPs暴露引發(fā)小鼠腎臟損傷的雙重機制。一方面，PP-MPs通過干擾甘油三酯與磷脂代謝導致了小鼠腎臟脂質(zhì)組重編程；另一方面，PP-MPs破壞了ROS穩(wěn)定，ROS的失衡加劇了脂質(zhì)過氧化與細胞膜損傷，最終誘發(fā)足突融合等超微結構病變。本研究結果為評估微塑料的腎臟毒性提供了分子證據(jù)，并為開發(fā)針對性干預策略奠定了理論基礎。 

文章中對PP-MPs暴露下的小鼠腎臟脂質(zhì)代謝的動態(tài)監(jiān)測，采用的是長光辰英自主研發(fā)的P300共聚焦拉曼光譜儀。過去的研究表明，腎臟中積累的微塑料尺寸通常＜10 μm，傳統(tǒng)方法難以對其粒徑及種類進行鑒別。P300憑借其高空間分辨率和高靈敏度，能夠基于特征峰準確檢出聚丙烯，為組織中微塑料的檢出提供了有力的檢測工具。另一方面，文中采用P300進行腎臟組織微塑料暴露后的脂質(zhì)代謝檢測，通過特征峰強的統(tǒng)計實現(xiàn)半定量分析，評估PP-MPs對腎臟脂質(zhì)造成的損傷。這對拉曼光譜儀的穩(wěn)定性要求較高，P300內(nèi)置多維光譜校正裝置，保障了不同批次樣品和不同檢測環(huán)境下拉曼光譜的穩(wěn)定性，為數(shù)據(jù)分析的準確性奠定了基礎。綜上，P300共聚焦拉曼光譜儀為本文中PP-MPs導致的腎臟脂質(zhì)代謝動態(tài)檢測提供了有力支持。

張大奕 教授

吉林大學新能源與環(huán)境學院教授，國家海外高層次青年人才計劃獲得者，吉林大學唐敖慶領軍教授， 2022-2024年連續(xù)3年入選全球2%頂尖科學家（年度科學影響力排行榜），在環(huán)境安全診斷技術與設備、環(huán)境功能微生物甄別、污染與退化土壤修復等領域開展大量原創(chuàng)性與突破性工作。以通訊作者在Environmental Science & Technology、Water Research等期刊發(fā)表SCI論文210篇，總影響因子1570，WoS被引用6000余次，H指數(shù)42。主持國家級項目4項、參與國家級項目10項、主持省部級項目5項，國際/國家發(fā)明專利9項，實用新型6項，軟件著作權6項，專著章節(jié)2篇。

劉明英 教授

研究論文第一作者，浙江中醫(yī)藥大學基礎醫(yī)學院教授，“浙江省高校領軍人才培養(yǎng)計劃”青年優(yōu)秀人才，現(xiàn)主要從事環(huán)境污染物的健康風險、環(huán)境毒理與代謝組學研究，先后主持國家基金青年及面上項目等5項，以第一作者及通訊作者發(fā)表SCI論文20余篇，授權國家發(fā)明專利1項，軟件著作權1項。