用代谢组学的方式探索斑马鱼胚胎奥秘

文章标题：Barrier function of zebrafish embryonic chorions against microplastics and nanoplastics and its impact on embryo development

发表期刊：Journal of Hazardous Materials

发表时间：2020.8

影响因子：10.588

合作客户：天津理工

百趣生物提供服务：GC-TOF-MS代谢组学检测

研究背景

微米塑料颗粒 (MPs) 和纳米塑料颗粒 (NPs) 在水环境中无处不在，水生生物可以摄入MPs和NPs。据报道，在鱼类的消化道、皮肤和鳃中检测到MPs，而较小的NP可能会进入生物细胞，研究发现MPs和NPs对水生生物器官有依赖性毒性作用。

然而，现有研究主要研究孵化后的个体，对MPs和NPs对胚胎发育的影响知之甚少。胚胎阶段对水生动物的发育至关重要，胚胎绒毛膜是抵御外源污染物的有效屏障。

实验设计和结果

为了探索胚胎绒毛膜对MPs和NPs的屏障功能，并了解对水生生物胚胎发育的相关影响，本研究将斑马鱼胚胎暴露于微米和纳米PS颗粒，基于代谢组学代谢途径分析研究了PS颗粒在斑马鱼胚胎和幼鱼上的分布、对胚胎发育的毒性作用以及生物学机制。

1、斑马鱼胚胎绒毛膜对n-PS 颗粒的屏障功能

代谢组学研究表明，当斑马鱼胚胎暴露于荧光n-PS时，颗粒很快在10hpf的胚胎绒毛膜表面积累（图 1A）。在32hpf时，更多的n-PS吸附在绒毛膜上，几乎覆盖了胚胎绒毛膜的整个表面（图 1B）。此外，在胚胎内部没有检测到荧光信号（图1C）。正如预期的那样，μ-PS也可以被胚胎绒毛膜阻断，并且在每个斑马鱼胚胎的卵周液中没有检测到μ-PS。

图1.  (A) 10 hpf、(B) 32 hpf  和 (C) 48 hpf 时胚胎绒毛膜中荧光 n‑PS 的分布

2、斑马鱼幼鱼孵化后n-PS的生物积累

胚胎孵化后，荧光n-PS颗粒在斑马鱼幼鱼的大脑、鳃、血液、肝脏和消化道（图 2）。在72hpf时，n-PS通过口腔和鳃吸收被吸收，进一步进入血液循环，在96 hpf（图 2C）和120hpf时逐渐积聚在肝脏和消化道中（图 2D）。相比之下，未观察到幼鱼摄入μ-PS。

图2.  不同时段荧光n-PS在幼鱼体内的生物积累

3、n‑PS和μ‑PS对胚胎绒毛膜结构的影响

暴露于n-PS和μ-PS的胚胎绒毛膜结构通过使用SEM进一步观察表征。在空白对照处理中，胚胎绒毛膜表面光滑透明（图3A），而在μ-PS处理中观察到μ-PS粘附到绒毛膜表面，这些颗粒倾向于凝结成更大的颗粒（图3B）并覆盖部分胚胎绒毛膜。相比之下，n-PS可以有效地形成均匀致密的PS涂层（图3C）。

图3. 斑马鱼胚胎绒毛膜在60hpf 的形态照片 (AC) 和 SEM特征(DI)

4、n‑PS和μ‑PS的胚胎发育毒性

尽管n‑PS暴露对胚胎死亡几乎没有影响，但在n‑PS暴露处理中发现了显着的胚胎发育毒性，观察到n‑PS诱导的胚胎黑色素减少，与空白对照相比，n‑PS暴露处理中斑马鱼胚胎的心率在24hpf 时显着加快了18.48%（图4B）。在72hpf时，在  n‑PS暴露处理中胚胎孵化被极大地抑制了12.5%，并且抑制率大约是在μ‑PS暴露处理中观察到的三倍（图4C）。

图4. μ‑PS 和n‑PS对斑马鱼胚胎发育的毒性作用

5、胚胎中n‑PS和μ‑PS暴露诱导的代谢组学改变

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通过GC-TOF-MS代谢组学技术研究μ‑PS和n‑PS暴露处理中斑马鱼胚胎代谢组学谱的变化，共筛选出508种差异表达的代谢物。PCA结果表明，暴露于μ-PS 和n-PS的组与空白对照具有明显差异。通过差异代谢物的代谢通路途径分析，通路气泡图显示相对于空白对照，μ-PS 、n-PS暴露干扰的主要途径是不饱和脂肪酸的生物合成和亚油酸代谢，而牛磺酸和亚牛磺酸代谢和烟酸盐和烟酰胺代谢仅在n-PS发生显著变化（图5B）。此外，丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸的代谢受到n-PS暴露的干扰，但不受μ-PS暴露的干扰。

图5.  μ‑PS和 n‑PS 处理的斑马鱼胚胎代谢谱分析

研究结论

斑马鱼胚胎的绒毛膜可有效阻断直径为100nm的NPs。n-PS和μ-PS在绒毛膜外表面的吸附改变了绒毛膜的力学性能，并可能导致胚胎中的微环境缺氧。斑马鱼胚胎不同的心率、血流速度和孵化率表明胚胎中n-PS和μ-PS暴露诱导的发育毒性。斑马鱼的代谢组学结果表明，它与胚胎抗氧化系统的变化有关。

文/阿趣代谢组学