《Chemosphere》 丨吉林大学张大奕教授团队与浙江中医药大学刘明英教授团队联合发表微塑料损伤肾脏脂质组新机制

2024年12月19日，吉林大学张大奕教授团队联合浙江中医药大学刘明英教授团队在《Chemosphere》期刊发表了题为“Polypropylene microplastics triggered mouse kidney lipidome reprogramming combined with ROS stress as revealed by lipidomics and Raman biospectra”的论文。文章通过拉曼生物光谱结合脂质组学，揭示了聚丙烯微塑料（PP-MPs）通过紊乱脂质代谢和诱发氧化应激失衡引发小鼠肾脏损伤的分子机制。长光辰英核心产品——P300共聚焦拉曼光谱仪为小鼠肾脏PP-MPs鉴定及肾脏脂质动态监测提供了高灵敏度的检测工具。  

微塑料（MPs）作为新型环境污染物，已广泛存在于水体、大气及生物体内，并通过食物链富集威胁人类健康。肾脏作为代谢的核心器官之一，其脂质代谢依赖脂肪酸氧化，但MPs如何干扰肾脏脂质组稳态仍不明确。前期研究表明，聚苯乙烯微塑料可诱导肾脏线粒体功能障碍与炎症反应，然而聚丙烯(Polypropylene, PP)微塑料对肾脏脂质代谢的影响尚未系统解析。本研究聚焦PP-MPs暴露下小鼠肾脏脂质组重编程与氧化应激的协同作用，为评估微塑料肾毒性提供了新视角。 

本研究通过ICR雄性小鼠饮水摄入聚丙烯微塑料（PP-MPs）建立微塑料损伤模型。根据小鼠是否摄入PP-MPs，分为对照组与PP-MPs暴露组，其中PP-MPs暴露组根据暴露时间和暴露水平分为7天/42天组和低浓度/高浓度组，具体分组如表1所示。模型构建完成后采集小鼠肾脏组织，采用拉曼光谱与扫描电镜鉴定肾脏中PP-MPs的分布，采用透射电镜观察肾脏超微结构变化，又通过拉曼生物光谱和脂质组学，分析了肾脏脂质代谢谱，通过生化分析与实时荧光定量PCR检测脂质代谢相关生化指标及关键基因表达。 

表1 微塑料损伤小鼠模型分组

图1 实验方法流程图

1. PP-MPs颗粒表征

拉曼光谱与扫描电镜结果显示，超声处理的PP-MPs标品颗粒呈1-12 μm不规则碎片状（图2 A）。在肾脏匀浆中，检测到一些类似的不规则颗粒 (图2 B)。拉曼光谱分析结果表明，这些粒子表现出与PP-MPs标品相似的特征峰(图2 C)，即1060 cm^-1、1300 cm^-1和1454 cm^-1。这三个特征峰分别对应C-C拉伸、CH变形和CH2变形。该结果证实了暴露后肾脏组织中存在PP-MPs。

图2 PP-MPs颗粒与肾组织的拉曼光谱鉴定

图A为超声处理后的PP-MPs形态；图B为肾脏匀浆中疑似PP-MPs的颗粒；图C为肾脏中PP-MPs与标品特征峰对比

2.拉曼生物光谱表征肾脏脂质异常代谢

为确定拉曼光谱的指纹图谱差异是由微塑料暴露因素引起的，对暴露天数相同组的肾脏拉曼光谱分别进行了PCA-LDA聚类，获得了PP-MPs暴露组和CK组之间明显的光谱分离(图3 A)。另外，利用600-1800 cm^-1区间的指纹区构建了SVM模型进行分类，模型的决策边界清晰地划分了六组(图3 C)，最终准确率在80.65-100.0%之间（图3 B），达到了满意的分类效果。该结果表明生物拉曼光谱结合多变量分析和SVM模型可以区分PP-MPs对肾脏细胞的毒理学影响。

图3 PP-MPs不同组间肾组织拉曼光谱的多变量分析

图A为 7天组和42天组肾脏组织拉曼光谱PCA-LDA图；图B为基于高斯核支持向量机(SVM)模型的六组拉曼光谱分类；图C为六组分离SVM模型的决策边界；图D为6组肾脏组织平均拉曼生物光谱；图E-H为图D中对应拉曼光谱特征峰强度的变化，其中图E为 506 cm⁻¹，图F为1100 cm⁻¹，图G为1296 cm⁻¹，图H为1442 cm⁻¹

小鼠肾脏的拉曼生物光谱的特征峰包括506、716、846、896、1100、1266、1296、1328、1442和1658 cm⁻¹(图3 D)。对暴露组和对照组所有特征峰进行峰强统计，506、846和896 cm⁻¹处的峰值强度在7 TL和42 TH中具有相似的下降趋势，但在7 TH和42 TL组中呈上升趋势(图3 E)。在7 TH组和42 TL组中，1100 cm^-1处的峰强增加(图3 F)。1266和1658 cm^-1峰位主要为不饱和脂肪酸的特征峰，1296 cm^-1与1442 cm^-1则主要代表饱和脂肪酸的振动。因此，采用1658 cm^-1/1442 cm^-1和1266 cm^-1/1296 cm^-1的比值评估单不饱和脂肪酸（MUFA）和多不饱和脂肪酸（PUFA）的含量。结果显示，随着PP-MPs暴露水平的增加，1658 cm^-1/1442 cm^-1的比值显著下降。1266 cm^-1/1296 cm^-1的比值也有类似的趋势，但在7 TL组中出现了短暂的上升。总体结果表明，微塑料暴露被证实会干扰不饱和脂质的分布，并增加MUFA的含量。

3. PP-MPs暴露引起的肾脏脂质组变化

为了确定暴露于聚丙烯微塑料后肾脏中改变的脂质种类，对小鼠肾脏进行的脂质组学分析结果发现，暴露水平上，随着暴露水平的提高，甘油三酯和脂肪酸含量上调；随着暴露时间的增加，溶血磷脂酰胆碱和溶血磷脂酰乙醇胺上调，磷脂酰胆碱、溶血磷脂酰胆碱和磷脂酰甘油下调（图4 A）。从功能通路分析来看，暴露水平（图4 B）诱导的脂质改变主要与细胞脂质转运(脂肪酸转运)过程有关。暴露时间（图4 C）诱导的脂质变化主要涉及受体清除、LPC水解、甘油磷脂分解代谢和内源性配体对Toll样受体的调节。脂质组学结果与拉曼光谱呈现的与细胞氧化还原和脂质相关的指纹峰变化相一致。

图4 各组间脂质组学差异结果

图A为各组间两两比较差异脂质火山图区分，红点和蓝点分别表示各组间上调和下调的脂质代谢物(仅标记前五种脂质)；图B为不同暴露水平的前15组显著富集的功能通路；图C为不同暴露时间的前15组显著富集的功能通路

本研究通过拉曼光谱结合多变量分析与脂质组学，揭示了PP-MPs暴露引发小鼠肾脏损伤的双重机制。一方面，PP-MPs通过干扰甘油三酯与磷脂代谢导致了小鼠肾脏脂质组重编程；另一方面，PP-MPs破坏了ROS稳定，ROS的失衡加剧了脂质过氧化与细胞膜损伤，最终诱发足突融合等超微结构病变。本研究结果为评估微塑料的肾脏毒性提供了分子证据，并为开发针对性干预策略奠定了理论基础。 

文章中对PP-MPs暴露下的小鼠肾脏脂质代谢的动态监测，采用的是长光辰英自主研发的P300共聚焦拉曼光谱仪。过去的研究表明，肾脏中积累的微塑料尺寸通常＜10 μm，传统方法难以对其粒径及种类进行鉴别。P300凭借其高空间分辨率和高灵敏度，能够基于特征峰准确检出聚丙烯，为组织中微塑料的检出提供了有力的检测工具。另一方面，文中采用P300进行肾脏组织微塑料暴露后的脂质代谢检测，通过特征峰强的统计实现半定量分析，评估PP-MPs对肾脏脂质造成的损伤。这对拉曼光谱仪的稳定性要求较高，P300内置多维光谱校正装置，保障了不同批次样品和不同检测环境下拉曼光谱的稳定性，为数据分析的准确性奠定了基础。综上，P300共聚焦拉曼光谱仪为本文中PP-MPs导致的肾脏脂质代谢动态检测提供了有力支持。

张大奕 教授

吉林大学新能源与环境学院教授，国家海外高层次青年人才计划获得者，吉林大学唐敖庆领军教授， 2022-2024年连续3年入选全球2%顶尖科学家（年度科学影响力排行榜），在环境安全诊断技术与设备、环境功能微生物甄别、污染与退化土壤修复等领域开展大量原创性与突破性工作。以通讯作者在Environmental Science & Technology、Water Research等期刊发表SCI论文210篇，总影响因子1570，WoS被引用6000余次，H指数42。主持国家级项目4项、参与国家级项目10项、主持省部级项目5项，国际/国家发明专利9项，实用新型6项，软件著作权6项，专著章节2篇。

刘明英 教授

研究论文第一作者，浙江中医药大学基础医学院教授，“浙江省高校领军人才培养计划”青年优秀人才，现主要从事环境污染物的健康风险、环境毒理与代谢组学研究，先后主持国家基金青年及面上项目等5项，以第一作者及通讯作者发表SCI论文20余篇，授权国家发明专利1项，软件著作权1项。