J HAZARD MATER | 脂质组+空间代谢组学揭示双酚F在乳腺癌异种移植中的毒理学机制

2022-09-20 10:50:08, 多层组学定制服务 上海欧易生物医学科技有限公司




前言


双酚F(BPF)是双酚a(BPA)的主要替代品,已被广泛使用。虽然已知BPA暴露会产生各种毒性效应,但BPF的毒性仍有待深入研究。本文采用一种综合方法,包括基于质谱(MS)的全局脂质组学和代谢组学以及空间代谢组学方法,研究BPF的毒性作用及其对乳腺癌异种移植物对肿瘤转移相关组织(肝和肾)的潜在毒理机制。


本文由香港浸会大学蔡宗苇教授团队发表在Journal of Hazardous Materials(IF:14.224)上发表的题为“Liquid chromatography-mass spectrometry-based metabolomics and lipidomics reveal toxicological mechanisms of bisphenol F in breast cancer xenografts”的研究成果,在双酚F处理的乳腺癌异种移植物中,运用脂质代谢组和空间代谢组开发并成功应用了一种新方法,用于肾脏和肝脏的整体脂质和代谢产物指纹图谱研究。



技术流程



研究结果


1.BPF对乳腺癌异种移植物的影响

注射IRdye 800CW-EGF后4d MDA-MB-231异种移植物的代表性NIR图像(如图1A)。在每只小鼠的腋窝肿瘤区域观察到NIR信号。结果表明,与对照组相比,BPA和BPF组仅肿瘤重量和肿瘤体积显著增加(图1B和1C)。可以看出,BPF和BPA处理组的肿瘤体积显著增加(图1B)。橄榄油(对照)、双酚A-(100μg/kg体重/天)和双酚F(100μg/kg体重/日)处理组的肿瘤重量分别为0.3±0.15克、0.60±0.12克和0.56±0.10克(图1C)。可以得出结论,BPF暴露可通过肿瘤转移相关组织(肝和肾)的分子改变增加乳腺癌异种移植物的肿瘤增殖。


图1 | BPF和BPA对MDA-MB-231裸鼠移植瘤的影响


2.组学分析:BPF对肿瘤转移相关组织代谢谱影响的组学分析

从图2中的热图来看,BPF治疗后,氨基酸、谷胱甘肽(GSH)相关化学物质、糖酵解中间体、脂质和其他有机化合物在肿瘤转移相关组织中显示出显著变化。


比较BPF处理组和对照组之间的肝脏样品时,BPF暴露诱导的内源性代谢产物显示谷氨酸、谷氨酰胺、GSH、甘氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、G-6P、乳酸和丙酮酸显著增加,但脂质的生物合成和代谢无显著变化(图3)。对于肝脏和肾脏的代谢组学分析,与对照组相比,BPF处理组的脂质代谢产物丰度较高,包括磷脂酰胆碱(PC)、磷脂酰乙醇胺(PE)、磷脂酰肌醇(PI)、二酰甘油(DAG)和三酰甘油(TAG),而溶血磷脂酰胆碱和溶血磷脂酰基乙醇胺(LPE)丰度较低。结果表明,BPF暴露后,肾脏和肝脏的脂质组和代谢组分别受到显著干扰。


此外,通过UPLC-MS/MS方法检测肾脏和肝脏样品中BPF的浓度,以发现代谢物变化与BPF积累之间的关系。在BPF处理组中,肾脏样本中的BPF浓度高于肝脏样本。结果表明,BPF通过代谢组紊乱和BPF积累而具有毒性作用。


图2 | BPF暴露后确定代谢物的热图分析

图3 |乳腺癌异种移植物肝脏和肾脏中的BPF暴露

(1)GSH生物合成、(2)糖酵解和(3)GPs和GLs的生物合成和降解的整体代谢紊乱。


3.BPF对肝脏和肾脏毒性作用的途径

结果表明,BPF处理后,小鼠肝脏和肾脏中的GSH生物合成可能受到调节,这是参与糖酵解、能量代谢和肿瘤增殖的关键途径。在GSH水平和抗氧化基因表达显著降低后,BPA通过产生氧化应激诱导肝毒性。与BPA相比,BPF暴露还通过干扰抗氧化防御系统相关代谢物和酶(图3),影响乳腺癌异种移植物中的氧化剂/抗氧化剂平衡,导致肝和肾损伤。它可能导致ROS生成,通过攻击细胞膜、DNA、RNA进一步诱导氧化损伤,最终导致组织损伤。


在肝和肾组织中,BPF处理组与前者不同,显示糖酵解中乳酸、丙酮酸、糖酵分解中间体(果糖-6-磷酸[F6P]和葡萄糖-6-磷酸酯[G-6P])和葡萄糖的丰度增加。当用BPF处理肝脏和肾脏时,己糖激酶(HK)、丙酮酸激酶同工酶M2(Pkm2)和乳酸脱氢酶A(Ldha)的mRNA水平升高验证了这些结果。


经BPF处理的肾脏样本显示,GPs(PC、PE和PI)和甘油脂质(GLs)(DAG和TAG)的丰度增加,LPC和LPE的丰度减少,可能表明膜重塑中脂质的功能变化(图3)。与对照组相比,BPF处理组中Ccpt、Dgat和PI的mRNA水平增加,Pla2g2a/Pla2g12a的mRNA水平降低,从而验证了该结果。BPF可通过对必需酶和脂质代谢产物的协同调节,诱导脂质的功能和结构变化。


作者还通过空间代谢组学可视化了肾脏中不同脂质的分布模式(图4)。代谢物分布在肾皮质和髓质区域。对于BPF治疗组,PE(如[PE(18:0p/22:6)-H]-m/z 774.56)和TAG(如[TAG(18:0/14:0/16:0)H]-m/z 805.74)在肾髓质和骨盆中增加,PC(如[PC(16:0p/22:4)-H]-m/z 792.60)和PI(如[PI(18:1/22:0)-H]m/z 909.56)在肾皮质和骨盆中也增加。


图4 | BPF处理肾脏切片的代表性空间代谢组质谱成像图像


研究讨论


总之,在BPF处理的乳腺癌异种移植物中,利用LC-MS/MS和空间代谢组学开发并成功应用了一种新方法,用于肾脏和肝脏的整体脂质和代谢产物指纹图谱。基于代谢物的研究可能对乳腺癌的诊断非常有用。本研究和获得的数据为筛选BPA安全替代品提供了良好的证据。


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