代谢组学技术在环境毒理学研究中的应用

代谢组学作为系统生物学的一部分,通过考察机体受刺激后体液或组织中内源性代谢物的动态变化规律,并结合生物信息统计方法,可系统全面地揭示内因和外因作用于机体的毒性效应和机制。代谢组学技术具有快速、灵敏度高、选择性强的特点,逐渐在低剂量环境污染物长期暴露的毒性效应评估方面发挥出优势。本文综述了代谢组学技术的主要研究手段,在毒理学研究中的发展历程和优点,以及在环境毒理学研究中的应用及前景展望。重点讨论了代谢组学技术在重金属和持久性有机污染物(POPs)毒性评估以及环境胁迫耐受性评价中的应用。     

NMR代谢组学在水生软体动物生态毒理研究中的应用

随着核磁共振(NMR)技术的不断发展,基于NMR的代谢组学方法已经逐渐成为研究水生动物在代谢水平响应环境变化的一种有效方法。水生软体动物作为重要的环境监测生物,近年来人们在其相关研究中取得了不小的成果。文章总结了利用NMR的代谢组学方法研究各类环境胁迫因子对水生软体动物代谢影响的成果,主要综述了水生软体动物不同组织内代谢物组成和含量对环境胁迫的响应,同时对水生软体动物生态毒理代谢组学研究中存在的问题和今后的发展方向进行了讨论和展望。     

基于1H NMR的代谢组学方法研究F-53B暴露对大鼠血清代谢表型的影响

氯化多氟醚磺酸盐(chlorinated polyfluorinated ether sulfonic acids,F-53B)是全氟烷基磺酸(perfluorooctane sulfonate,PFOS)的替代品.大量毒理学实验证明F-53B具有类似PFOS的生物持久性及毒性,但目前国内外尚未报道过关于F-53B的生物代谢扰动机制研究.本研究基于¹H-NMR分析了F-53B(50μg·kg^-1·d^-1)暴露28 d后的大鼠血清代谢扰动情况,结合多元统计分析,分析相关差异代谢物和代谢通路变化.暴露组检测到17个差异代谢物,主要包括氨基酸代谢物和碳水化合物代谢物.3条氨基酸代谢通路受到显著影响,包括丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢,组氨酸代谢,苯丙氨酸,酪氨酸和色氨酸生物合成.糖代谢和脂质代谢受到影响.研究结果表明大鼠暴露于F-53B后可能会影响血清的氧化应激反应,引发炎症,心血管疾病,糖尿病和高血压,引起神经毒性且抑制大脑发育.本研究对F-53B暴露产生的代谢扰动进行深入且全面的探究,为评估F-53B的健康风险提供了科学依据...     

根际化学与生物多样性的表征方法：组学技术的机遇与挑战

根际是联结植物、土壤和微生物的重要界面,是化学与生物过程耦合最活跃的区域.根际环境影响土壤中有机和无机污染物的行为,而研究方法的完善与提升有助于阐释根际中复杂的过程与作用机制.本文从传统的化学和生物学方法到新兴的组学技术对根际科学的方法学研究进展进行了综述,重点讨论了当今组学技术在根际研究中应用机遇与挑战,同时展望了今后需要关注的科学问题.根际化学组分的传统分析方法涵盖了光谱、色谱、质谱和色质联用等技术,主要聚焦于低分子量有机酸等小分子的定性定量测定,导致对根际化学多样性的认知偏差;传统的根际微生物研究依赖于培养技术,对微生物多样性的描述存在很大的局限.揭示根际异质性和复杂性,亟需采用高端的技术,组学方法显示出极大的优势,显著提高了研究者对根际科学的认识.基于靶向和非靶向代谢组学有利于深入研究根际复杂的化学多样性过程;基于宏基因组学、转录组学和蛋白组学等组学工具能够提供微生物组基因和蛋白的表达、功能特性等更详细的信息,可以全面地揭示根际微生物的多样性.应该强调的是,未来多组学整合分析更是表征根际化学与生物多样性的一个强有力工具,但需要更多的模型、框架和计算基础来实现根际基因、蛋白、转录...     

基于气相/液相色谱-高分辨率质谱联用技术的非目标化合物分析方法研究进展

近10多年来随着色谱(气相色谱和液相色谱)和高分辨率质谱联用技术以及相关数据处理软件和数据库的发展,使得高通量的非目标化合物分析方法得以实现,并在环境研究、食品监管、药物研发以及生物代谢物研究等领域得到日益广泛的应用.本文综述了基于气相/液相色谱-高分辨率质谱联用技术的非目标化合物分析方法的研究进展,包括其分析方法策略、流程及其在环境研究领域的实际应用情况,并探讨了该方法所存在的问题和发展前景,为环境中的新兴污染物及其代谢转化产物、关键致毒物的甄别、环境健康风险评估等提供一种新兴的高通量分析鉴别技术.     

基于高分辨质谱研究双酚A对小鼠血浆代谢谱的影响

观察不同染毒剂量的双酚A(BPA)对C57BL6小鼠血浆代谢谱的影响,探讨其可能的毒性机制,并探寻毒性相关生物靶点。将小鼠随机分为对照组及1、10、50和250μg·kg-1组。利用高分辨质谱技术结合主成分分析、偏最小二乘分析等方法对血浆数据进行分析,发现对照组与各剂量组基本分离,并随染毒剂量的增加,各组逐渐偏离对照组,提示小鼠机体具有发生紊乱的趋势;运用Pathway Analysis数据库对差异性代谢物进行拓扑分析;运用Cytoscape和Metscape进行代谢产物的相关性分析和模块化分析。从血浆中筛选出27种差异代谢物,发现BPA的干预作用可能与亚油酸代谢、花生四烯酸代谢、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢、丙酮酸代谢、鞘脂类代谢和磷酸肌醇代谢等通路有关;对血浆差异性代谢产物的相关性分析和模块化分析结果表明,7个模块之间关系密切,BPA的干预作用可能与血浆7个模块代谢物的差别相关; BPA染毒14 d后,其毒性作用机制可能与丙酮酸、花生四烯酸、亮氨酸和亚油酸等生物靶点的异常相关,丙酮酸、花生四烯酸、亮氨酸和亚油酸等生物靶点可作为BPA引起机体毒性的标志物。     

三氯卡班对小鼠血浆内源性物质影响的代谢组学研究

三氯卡班被认定为一种新型的环境污染物,可能对动植物和人体产生危害,为探究三氯卡班的有害作用机制,选择C57BL6小鼠作为载体,利用分子生物学和报告基因方法考察了三氯卡班对肝脏的作用,同时利用代谢组学技术考察三氯卡班对血浆内源性代谢物变化的影响。结果表明,三氯卡班是核受体CAR的激活剂,可以提高肝脏CYP2b10的m RNA表达。同时血浆主要的内源性代谢物也产生了显著性变化,血浆中的脂肪酸比例都呈下降趋势,肉毒碱与乙酰肉碱的比例都呈上升趋势,花生四烯酸与肌酸的比例都呈上升趋势,这都与核受体CAR被激活密切相关,由此说明利用代谢组学技术能够全面地反映三氯卡班所造成的对机体的影响。     

全氟辛烷磺酸对斑马鱼肝脏影响机制的代谢组学研究

为探究全氟辛烷磺酸(PFOS)对水生动物肝脏的慢性毒性毒害机制,寻找其肝脏慢性毒性相关的潜在标志物,运用气相色谱-质谱联用仪代谢组学方法研究暴露于PFOS中斑马鱼肝脏内源性代谢物的变化,寻找显著性差异代谢物及相关通路。实验分为4组:对照组及PFOS浓度分别为10、100、250μg·L~(-1)的实验组,每组20尾斑马鱼,实验时长40 d。结果显示,与对照组相比,PFOS浓度为10μg·L~(-1)的斑马鱼肝脏中筛选出4种发生显著性变化的代谢物,分别为牛磺酸、磷酸乙酰胺、β-D-葡萄糖、油酸,涉及4条代谢通路,即牛磺酸和亚牛磺酸代谢、鞘脂代谢、甘油磷脂代谢、糖酵解或葡萄糖生成。100μg·L~(-1)浓度组的斑马鱼肝脏中筛选出5种,包括牛磺酸、β-D-葡萄糖、棕榈酸、油酸、胆固醇,涉及5条代谢通路,即原代胆汁酸生物合成、牛磺酸和亚牛磺酸代谢、类固醇生物合成、类固醇激素生物合成、糖酵解或葡萄糖生成。250μg·L~(-1)浓度组的斑马鱼肝脏中筛选出5种,即牛磺酸、β-D-葡萄糖、乳酸、甘油-3-磷酸、磷酸乙酰胺,涉及5条代谢通路:牛磺酸和亚牛磺酸代谢、甘油磷脂代谢、甘油脂代谢、鞘脂代谢、糖酵解或葡萄糖生成。根据筛选出的差异代谢物生理功能和其涉及代谢通路分析,推测PFOS主要通过影响牛磺酸和亚牛磺酸代谢、糖酵解或葡萄糖生成及一些脂类代谢从而对斑马鱼肝脏产生毒性效应,其中牛磺酸、葡萄糖与油酸这3种代谢物可作为斑马鱼受PFOS胁迫肝脏代谢异常的潜在标记物。     

脂质组学在环境领域中的应用

脂质是生物体内重要的组成物质之一,具有多种重要的生物学功能。脂质组学作为代谢组学的一个重要分支,主要通过研究生物体内脂质化合物及脂质代谢谱的变化,进而鉴定生物标志物,分析相关代谢通路,阐明生物体响应外界刺激的机制。随着分析技术的不断进步,尤其是色谱和质谱技术的引入,极大地推动了脂质组学研究的发展,并扩展了其应用范围。本文介绍了脂质组学的研究方法及其在环境领域中的应用前景,重点讨论了脂质组学及多组学联用技术在环境胁迫耐受性及环境污染物毒性评价中的应用。     

气相色谱/质谱(GC-MS)结合自动解卷积与鉴定系统(AMDIS)软件分析镉胁迫对玉米幼苗代谢产物的影响

采用气质联用并结合自动解卷积(AMDIS)技术和保留指数分析了土壤中镉对玉米幼苗的代谢产物的影响.结果确定了39种代谢物,其匹配率大于75%,保留指数在0.3%—1.7%的误差之内;代谢物分析对比结果显示,镉主要通过下调莽草酸途径中的多个代谢物(莽草酸、酪氨酸、奎尼酸和咖啡酸)和三羧酸循环中的苹果酸和柠檬酸以及乳酸、葡萄糖、天冬氨酸、天冬酰胺和3-磷酸甘油等途径影响玉米生长.代谢产物的结果表明,植物表观生长虽然没有受到抑制,但代谢产物已经受到了镉的影响.     

代谢组学方法在生态毒理学中的应用进展

代谢组学方法越来越多地用于研究有机体与生态环境的相互作用。近年来,该方法已被应用于化学物风险评价和野生动物的疾病诊断,成为环境科学,特别是生态毒理学中充满活力的研究方向之一。本文介绍了应用于代谢组学研究的核磁共振波谱和质谱2种检测技术,着重讨论了生态毒理学研究中代谢组学方法在生物标志物的发掘和毒性评价,以及有机体对环境影响因子的代谢响应、野生水生动物疾病的诊断和监测等方面的应用。这些代谢组学在生态毒理学领域的应用将促进对有机体与环境相互作用的认识。     

安捷伦液相/离子阱(XCT)质谱检测虾仁及家禽中的硝基呋喃代谢物

在液相/离子阱质谱上,利用液相/质谱/质谱方法对鸡肉及虾仁中硝基呋喃代谢物残留进行了定性定量分析.对于四种硝基呋喃代谢物,其定量限在0125到05μg·kg-1的范围内,分析结果完全满足欧盟的1μg·kg-1的最低检测限量的要求.     

基于HepG2细胞脂质组学方法对黄浦江水质的综合评价

环境水体中复合污染的毒性识别一直是环境科学界关注的热点.基于代谢组学的生物监测方法通过监测暴露前后生物内源性代谢物的变化,在评估复合污染导致的综合毒性效应中具有广泛的应用前景.本研究从污染物对细胞脂类代谢的影响角度出发,采用体外肝癌细胞(HepG2)暴露和脂质组分析相结合的方法,对黄浦江干流和支流共27个采样点的水质进行了综合评价.研究发现,水样对HepG2细胞的脂代谢影响程度与采样点所属河段紧密相关.黄浦江中游水样对HepG2细胞的平均脂代谢影响程度(3.40％)高于上游(1.65％)和下游(0.78％),而流经城区的支流水样对细胞的脂代谢影响(5.20％)明显高于干流水样(1.80％).此外,在采集的水样中超过70％的样品都导致HepG2细胞内甘油三酯(TG)大量蓄积,揭示了黄浦江水体中的复合污染物可能诱导肝脏产生脂毒性损伤.本研究为环境水质监测提供新的方法,研究结果为上海市生态环境和水质安全管理部门提供重要的参考信息.     

啶虫脒对斑马鱼血浆代谢物的影响

为了辨析亚致死剂量啶虫脒对斑马鱼生长代谢的影响,采用气质联用技术,分析斑马血浆代谢物含量的变化.研究结果表明,亚致死剂量的啶虫脒诱导斑马鱼血浆多种代谢物含量上升,涉及到氨基酸代谢、糖代谢、三羧酸循环以及遗传物质合成多条代谢途径.亚致死剂量啶虫脒能扰乱非靶标生物的正常代谢,进而产生慢性毒性,所以亚致死剂量农药对非靶标生物的影响不可忽视.     

环境水体中违禁药物的分析方法

违禁药物(Illicit Drugs)是一大类对人类中枢神经系统具有强烈兴奋作用或抑制作用的化合物.随着人类对其滥用趋势的增加,这类化合物及其代谢产物被持续不断地排入环境介质中,对人类健康造成了潜在的危害.为了更好地开展对环境中违禁药物的研究,本文对目前环境水体中违禁药物的分析方法进行了较详细的总结和评述,简述了对环境中违禁药物的发现、研究历史,介绍了常见违禁药物的种类和分析方法,分析了目前较常采用的样品预处理方法对后续分析结果准确度的影响,列举了各种色谱-质谱联机测定方法对常见违禁药物的分析结果和测定条件,指出液相色谱-串联质谱技术(LC-MS/MS)将成为违禁药物及其代谢物的首选检测分析方法,并且为其他痕量环境污染物的分析提供了参考.     

液质联用代谢组学研究多氯联苯和二噁英对大鼠毒性作用

采用基于液质联用(LC-MS)的代谢组学方法研究多氯联苯(PCBs)和2,3,7,8-四氯二苯并-p-二噁英(TCDD)及联合染毒对大鼠生化代谢的影响.对雄性Sprague-Dawley大鼠连续3 d分别灌胃TCDD(10μg.kg-1)、PCBs(Aroclor 1254,10 mg.kg-1)及其混合溶液(10μg.kg-1 TCDD和10 mg.kg-1 Aroclor1254),采用液质联用法在尿液和血浆样本中分别检测出749个和343个色谱峰.PCBs、TCDD及其联合染毒后引起大鼠生化代谢的显著变化.多变量分析结果表明,毒性的大小是:联合染毒>TCDD>PCBs.采用标准物对照、准确质量数、多级质谱碎片离子图和数据库检索的方法,分别在尿液和血浆样本中鉴定出8个和20个生物标记物,表明PCBs和TCDD能导致免疫系统、肝脏和神经系统障碍、干扰脂代谢.     

植物细胞代谢产物的诱导释放

植物细胞培养是植物有用代谢物质的潜在来源.目前植物细胞培养难以工业放大的一个关键问题是生产成本过高.虽然可通过固定化方法实现植物细胞的连续使用,减少由于接种量过高而产生的附加成本,缩短培养周期,但由于许多代谢产物储存于液泡里,释放量很少或根本不释放,限制了固定化技术在工业上的应用,同时也增加了后期产物分离的操作,因此很多研究者在致力于研究如何诱导细胞次级代谢产物的释放.本文将从以下4个方面的研究进展做一评述.1　培养条件的调控1.1　ｐＨ值改变培养基的酸度对代谢物的分泌很重要.研究表明,一些次级代谢物是与Ｈ 通过…     

基于数据非依赖型采集质谱技术的血液脂质分子高通量分析

脂质是生物体的重要代谢分子,参与重要的细胞生物功能,已有报道表明环境中污染物会干扰生物体正常循环及代谢机制,导致脂肪代谢紊乱。基于数据非依赖型(DIA)采集质谱技术,通过优化UPLC-QTOF MS(超高效液相色谱飞行时间质谱联用)液相分离方法,开发了少量人体血液样品中脂质代谢分子的高通量分析方法,并将其应用于57个普通人群的血液样品分析,在10μL人体血液样品中检出2 598个信号,经脂代组学质谱库匹配解析鉴定出八大类1 780个脂质分子,其中分子数目占比最大的脂质为甘油磷脂类(37%),其次依次为脂肪酸类(23%)、固醇脂类(13%)、甘油脂类(10%)、鞘脂类(9.0%)、孕烯醇酮脂类(4.8%)。上述研究建立的脂质分子高通量分析方法为以脂质代谢为毒性终点的污染物毒性筛查和毒理机制研究提供方法学基础。     

纳米TiO2对幼年小鼠血浆代谢谱影响的代谢组学研究

观察不同染毒剂量的纳米TiO2对ICR幼年小鼠血浆代谢谱变化的影响,寻找潜在的毒性效应的生物标志物.将幼年小鼠随机分为对照组以及10、30、100和300 mg·kg-1不同纳米TiO2染毒组进行28 d短期毒性试验,利用代谢组学技术初步筛选出TiO2毒性作用潜在的生物标志物,运用KEGG数据库对生物标志物进行拓扑分析;并利用靶向定量技术检测血浆胆酸、去氧胆酸、熊去氧胆酸和牛磺胆酸的含量变化,从而探究TiO2毒性作用相对应的生物标志物.从血浆中筛选出49种差异代谢物,发现纳米TiO2染毒后主要导致磷脂类及胆汁酸类化合物的异常.小鼠经过纳米TiO2 28 d染毒后,其毒性作用可能与磷脂代谢及胆汁酸代谢异常相关,血浆中的胆汁酸可以作为纳米TiO2产生肝脏毒性作用的生物标志物.     

基于全暴露组关联分析技术的环境健康研究进展

暴露组是整个生命周期中历经的所有暴露.为了更好地评估暴露组-疾病的关联,参照全基因组关联研究的概念（GWAS）,提出了全暴露组关联分析（EWAS）.全暴露组关联分析是一种数据驱动的探索性研究方法,可用于发现与某些复杂疾病相关联的环境因素.文章搜索并纳入了当前的全暴露组关联分析文章,从研究对象、暴露变量、流行病学结局和统计分析几个方面总结了文章的研究方法,综述了目前的研究进展,提炼研究的特点和当前局限,并对其未来做出展望.