用代谢组学的方式，探索斑马鱼胚胎绒毛膜对微塑料和纳米塑料的屏障功能及其对胚胎发育的影响
文章标题：Barrier function of zebrafish embryonic chorions against microplastics and nanoplastics and its impact on embryo development
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 nPS 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、nPS和μPS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、nPS和μPS的胚胎发育毒性
尽管nPS暴露对胚胎死亡几乎没有影响，但在nPS暴露处理中发现了显着的胚胎发育毒性，观察到nPS诱导的胚胎黑色素减少，与空白对照相比，nPS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 nPS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μPS暴露处理中观察到的三倍（图4C）。
图4. μPS 和nPS对斑马鱼胚胎发育的毒性作用
5、胚胎中nPS和μPS暴露诱导的代谢组学改变
1
通过GC-TOF-MS代谢组学技术研究μPS和nPS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. μPS和 nPS 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
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