應用代謝組學的方式探索斑馬魚胚胎奧秘
文章標題：Barrier function of zebrafish embryonic chorions against microplastics and nanoplastics and its impact on embryo development
發(fā)表期刊：Journal of Hazardous Materials
發(fā)表時間：2020.8
影響因子：10.588
合作客戶：天津理工
百趣生物提供服務：GC-TOF-MS代謝組學檢測
研究背景
微米塑料顆粒 (MPs) 和納米塑料顆粒 (NPs) 在水環(huán)境中無處不在，水生生物可以攝入MPs和NPs。據(jù)報道，在魚類的消化道、皮膚和鰓中檢測到MPs，而較小的NP可能會進入生物細胞，研究發(fā)現(xiàn)MPs和NPs對水生生物器官有依賴性毒性作用。
然而，現(xiàn)有研究主要研究孵化后的個體，對MPs和NPs對胚胎發(fā)育的影響知之甚少。胚胎階段對水生動物的發(fā)育至關重要，胚胎絨毛膜是抵御外源污染物的有效屏障。
實驗設計和結果
為了探索胚胎絨毛膜對MPs和NPs的屏障功能，并了解對水生生物胚胎發(fā)育的相關影響，本研究將斑馬魚胚胎暴露于微米和納米PS顆粒，基于代謝組學代謝途徑分析研究了PS顆粒在斑馬魚胚胎和幼魚上的分布、對胚胎發(fā)育的毒性作用以及生物學機制。
1、斑馬魚胚胎絨毛膜對n-PS 顆粒的屏障功能
代謝組學研究表明，當斑馬魚胚胎暴露于熒光n-PS時，顆粒很快在10hpf的胚胎絨毛膜表面積累（圖 1A）。在32hpf時，更多的n-PS吸附在絨毛膜上，幾乎覆蓋了胚胎絨毛膜的整個表面（圖 1B）。此外，在胚胎內(nèi)部沒有檢測到熒光信號（圖1C）。正如預期的那樣，μ-PS也可以被胚胎絨毛膜阻斷，并且在每個斑馬魚胚胎的卵周液中沒有檢測到μ-PS。
圖1. (A) 10 hpf、(B) 32 hpf 和 (C) 48 hpf 時胚胎絨毛膜中熒光 n‑PS 的分布
2、斑馬魚幼魚孵化后n-PS的生物積累
胚胎孵化后，熒光n-PS顆粒在斑馬魚幼魚的大腦、鰓、血液、肝臟和消化道（圖 2）。在72hpf時，n-PS通過口腔和鰓吸收被吸收，進一步進入血液循環(huán)，在96 hpf（圖 2C）和120hpf時逐漸積聚在肝臟和消化道中（圖 2D）。相比之下，未觀察到幼魚攝入μ-PS。
圖2. 不同時段熒光n-PS在幼魚體內(nèi)的生物積累
3、n‑PS和μ‑PS對胚胎絨毛膜結構的影響
暴露于n-PS和μ-PS的胚胎絨毛膜結構通過使用SEM進一步觀察表征。在空白對照處理中，胚胎絨毛膜表面光滑透明（圖3A），而在μ-PS處理中觀察到μ-PS粘附到絨毛膜表面，這些顆粒傾向于凝結成更大的顆粒（圖3B）并覆蓋部分胚胎絨毛膜。相比之下，n-PS可以有效地形成均勻致密的PS涂層（圖3C）。
圖3. 斑馬魚胚胎絨毛膜在60hpf 的形態(tài)照片 (AC) 和 SEM特征(DI)
4、n‑PS和μ‑PS的胚胎發(fā)育毒性
盡管n‑PS暴露對胚胎死亡幾乎沒有影響，但在n‑PS暴露處理中發(fā)現(xiàn)了顯著的胚胎發(fā)育毒性，觀察到n‑PS誘導的胚胎黑色素減少，與空白對照相比，n‑PS暴露處理中斑馬魚胚胎的心率在24hpf 時顯著加快了18.48%（圖4B）。在72hpf時，在 n‑PS暴露處理中胚胎孵化被極大地抑制了12.5%，并且抑制率大約是在μ‑PS暴露處理中觀察到的三倍（圖4C）。
圖4. μ‑PS 和n‑PS對斑馬魚胚胎發(fā)育的毒性作用
5、胚胎中n‑PS和μ‑PS暴露誘導的代謝組學改變
1通過GC-TOF-MS代謝組學技術研究μ‑PS和n‑PS暴露處理中斑馬魚胚胎代謝組學譜的變化，共篩選出508種差異表達的代謝物。PCA結果表明，暴露于μ-PS 和n-PS的組與空白對照具有明顯差異。通過差異代謝物的代謝通路途徑分析，通路氣泡圖顯示相對于空白對照，μ-PS 、n-PS暴露干擾的主要途徑是不飽和脂肪酸的生物合成和亞油酸代謝，而牛磺酸和亞�；撬岽x和煙酸鹽和煙酰胺代謝僅在n-PS發(fā)生顯著變化（圖5B）。此外，丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸的代謝受到n-PS暴露的干擾，但不受μ-PS暴露的干擾。
圖5. μ‑PS和 n‑PS 處理的斑馬魚胚胎代謝譜分析
研究結論
斑馬魚胚胎的絨毛膜可有效阻斷直徑為100nm的NPs。n-PS和μ-PS在絨毛膜外表面的吸附改變了絨毛膜的力學性能，并可能導致胚胎中的微環(huán)境缺氧。斑馬魚胚胎不同的心率、血流速度和孵化率表明胚胎中n-PS和μ-PS暴露誘導的發(fā)育毒性。斑馬魚的代謝組學結果表明，它與胚胎抗氧化系統(tǒng)的變化有關。
文/阿趣代謝組學
