持久性有機污染物(POPs)是國際上廣泛關注的新污染物之一，以氯化石蠟(CP)、六溴環(huán)十二烷(HBCD)等多鹵化合物，已被添加到全球持久性物質清單中。這些污染物一旦進入生物群體，就會被運輸?shù)轿廴疚锒纠韺W作用的重點部位，并影響內(nèi)源性的代謝物，通過開展相應的空間代謝組學研究，這有助于制定有效的污染物控制策略和保護人類健康。
近日，由北京大學城市與環(huán)境學院萬祎教授團隊聯(lián)合中國疾病預防控制中心等多個單位，在知名期刊 “Environmental Science & Technology”發(fā)表“Spatially Resolved Co-Imaging of Polyhalogenated Xenobiotics and Endogenous Metabolites Reveals Xenobiotic-Induced Metabolic Alterations”論文，使用AFADESI-Orbitrap質譜成像平臺對斑馬魚體內(nèi)九個器官中的中短鏈氯化石蠟 (SCCP)、 中鏈氯化石蠟(MCCP)、六溴環(huán)十二烷(HBCD)等持久性有機污染物的空間分辨毒代動力學進行了全面表征，通過對這些新型污染物誘導其內(nèi)源性代謝物的變化，從空間角度評估污染物的分布和生物效應的必要性。
萬祎教授團隊提出了一種高靈敏的質譜成像方法，采用氣流輔助電離(AFADESI)和 Orbitrap 質譜儀聯(lián)用系統(tǒng)，在噴霧溶劑中加入四苯基氯化膦(Ph4PCl)，可以顯著增強各種多鹵化烷基化合物(如CPs、HBCD、DP和硫丹)電離成[M + Cl]− 形式，并同時測定多鹵代化合物和代謝物的空間分布。多鹵化合物和代謝物的聯(lián)合成像顯示了 HBCD 和 CPs 的主要累積器官和母體轉移，并闡明了 HBCD 的生殖毒性。CPs 會降低肝臟、心臟、大腦中多胺/肌苷相關代謝物和脂質分子的濃度。
圖1 在新型敞開式質譜成像技術(AFADESI-Orbitrap)平臺上對多鹵代烷基和內(nèi)源性代謝物進行 Ph4PCl 增強 MSI 分析，暴露于 SCCP、MCCP 和 HBCD 誘導的斑馬魚空間代謝改變。(a)各器官中受 SCCP、MCCP 和 HBCD 影響的代謝物熱圖；(b)受影響代謝物在斑馬魚體內(nèi)的特定轉化關系，藍點、紅點和綠點分別代表參與氨基酸代謝、脂質代謝和嘌呤代謝的代謝物，實線和虛線箭頭分別代表一步反應和多步反應；斑馬魚暴露于 MCCP(c)、SCCP(d)和 HBCD(e)24 天后代謝物的 MSI 圖像。
研究表明，隨著斑馬魚暴露時間的推移，SCCP 從開始時在鰓和心臟分布(圖2)，到暴露 10 天后，SCCP 在所有器官中均達到最高濃度，其中鰓、肝臟和心臟的濃度最高。當 SCCP 信號減弱時，SCCP 在腎臟中的比例增加，表明 SCCP 在一定時間后通過腎臟排泄。MCP 主要積聚的器官與 CSSP 相似，但 MCP 濃度在暴露 3 天后在這些器官中達到最高水平，并隨著暴露時間的增加而逐漸降低。
圖2 SCCP、MCCP 和 HBCD 的空間分辨毒代動力學。(a)SCCP、MCCP 和 HBCD 在斑馬魚和胚胎中隨暴露時間的分布；(b)SCCP、MCCP 和 HBCD 在肝臟和大腦中濃度的變化；(c)腎臟和大腦中 SCCP、MCCP 和 HBCD 比例的變化；(d)HBCD 在各器官中的百分比。
質譜成像技術分析清楚的區(qū)分了早期發(fā)育卵泡和成熟/產(chǎn)卵卵泡，在 HBCD 處理的斑馬魚中，PC 和 PE 在含有成熟卵泡的區(qū)域高濃度存在(圖3)，斑馬魚卵泡發(fā)育早期組織病理學檢查顯示卵黃形成明顯減少，這是雌性芳香酶抑制的可靠標志。因此，接觸 HBCD 可能會破壞早期卵泡的發(fā)育，損害卵巢成熟卵子的產(chǎn)生，從而導致生殖毒性。
圖3 HBCD 母體轉移和生殖毒性。(a)暴露化合物(SCCP、MCCP 和 HBCD)和磷脂在斑馬魚和卵中的分布和定位；(b)對照組和暴露組斑馬魚產(chǎn)卵數(shù)量；(c)對照組和 HBCD 暴露組斑馬魚卵巢早期卵泡的組織病理學變化，藍色箭頭代表卵黃形成減少；(d)對照組和暴露組斑馬魚卵巢中 lhcgr 基因的表達。
此前，尚無研究可實現(xiàn)外源物質空間分布的同步測繪和用于全身評估的內(nèi)源代謝物，這將有助于理解分子毒性機制。在本研究中，萬祎教授團隊基于 AFADESI 結合 Q Exactive Plus 高分辨質譜成像平臺，實現(xiàn)了將含有多鹵代烷基不易電離的POPs化合物(例如硫丹、CP 和 DP)等物質進行質譜成像。
AFADESI+Orbitrap 質譜成像系統(tǒng)能準確的判斷生物組織內(nèi)化學物質分布，生成清晰的質譜成像圖，并充分體現(xiàn)微區(qū)代謝物的特異性分布特征，檢測靈敏度可達 pg 級別， 搭載 Orbitrap 平臺的質譜成像數(shù)據(jù)具有高穩(wěn)定性，連續(xù)采集的穩(wěn)定性帶來更準確的化合物空間分布結果，精確檢定代謝物。
AFADESI-Orbitrap 質譜成像平臺
(AFADESI 成像離子源可適配于 Thermo Scientific™ Q Exactive™ 或 Orbitrap Exploris™ 系列質譜儀)
質譜成像技術將助力科研工作者深入環(huán)境毒理學研究，更直觀的可視化毒性物質在生物體內(nèi)的分布和代謝，有助于揭示毒性物質在生物體中的轉運途徑和潛在的毒性靶點，以及產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物和代謝途徑，識別潛在的毒性靶點和生物學途徑，為深入了解毒性機制并為環(huán)境保護和風險評估提供科學依據(jù)。
質譜成像技術能在組織的 μm 尺度下繪制目標污染物或代謝靶分子的空間分布，結合時間變化有助于解析污染物在生物體的時空動態(tài)變化過程，快速弄清污染物的毒代動力學過程，還能實現(xiàn)致毒物質和效應分子的空間共定位，幫助識別污染物的主要累積器官和關鍵作用靶點。
持久性有機污染物的污染治理離不開環(huán)境介質的標準制定，而這個過程需要通過污染物的毒代動力學研究構建內(nèi)外暴露的量化關系，質譜成像技術能夠快速幫助弄清污染物的富集器官和毒代動力學參數(shù)，并基于毒性分析對污染物的暴露風險進行初步判斷。
氯化石蠟、六溴環(huán)十二烷、有機氯等多鹵化合物不含可電離官能團，在現(xiàn)有的成像離子源中無法分析，而 AFADESI-Orbitrap 質譜成像平臺充分發(fā)揮了四苯基氯化膦的氯增強電離特性，高電離效率也顯著降低了基質效果，空間分辨率保持在 50-200 μm，實現(xiàn)了多種持久性有機污染物接近環(huán)境濃度的質譜成像。
萬祎
北京大學城市與環(huán)境學院環(huán)境學系博雅特聘教授，博士生導師
研究領域為環(huán)境化學，研究方向為環(huán)境毒理和健康，主要從事微量有毒有害污染物的環(huán)境暴露及毒理效應研究，迄今在 PNAS 等學術期刊上發(fā)表百余篇 SCI 論文。曾獲國家自然基金委優(yōu)秀青年和杰出青年基金、教育部青年長江學者、中組部萬人青年拔尖項目和北京市杰出青年基金。
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