《Emerging Contaminants》：Emerging contaminant cadmium telluride quantum dots disrupt the microbiota–gut–liver–brain axis in common carp: probiotic mitigation
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本研究针对新兴污染物碲化镉量子点(CdTe QDs)对水生生物的生态风险问题，系统探讨了其在鲤鱼体内引发的多器官毒性及作用机制。研究人员通过5周亚慢性暴露实验发现，CdTe QDs通过破坏肠道屏障、诱发氧化应激和炎症反应，进而经肠-肝-脑轴导致肝代谢紊乱和神经毒性。研究创新性地证实益生菌干预可通过调节肠道菌群、激活Nrf2/HO-1抗氧化通路并抑制TLR4/NF-κB炎症级联，有效缓解上述毒性效应，为纳米污染物风险评估和益生菌修复策略提供了重要理论依据。
随着纳米技术的飞速发展，量子点作为一种新兴的纳米材料，在生物医学成像、光电器件和环境监测等领域展现出广阔的应用前景。其中，碲化镉量子点因其明亮可调的光致发光特性和良好的水稳定性而备受关注。然而，随着生产和使用规模的不断扩大，这些纳米材料正被持续释放到水生生态系统中，通过生物积累和营养级传递对水生生物构成潜在的生态和健康风险。遗憾的是，由于复杂环境基质中的分析瓶颈，目前对自然水体中量子点的准确定量仍面临挑战，而模型估算值可能存在较大偏差，难以反映真实的暴露水平。更令人担忧的是，现有研究大多局限于器官特异性毒性评估，对纳米材料通过微生物群相关轴系引发的多器官交互作用关注不足，特别是对水生生物成年个体的系统性影响研究尤为缺乏。
在此背景下，发表于《Emerging Contaminants》的研究论文聚焦于碲化镉量子点对常见鲤鱼的多器官毒性效应，创新性地从微生物群-肠-肝-脑轴的整体视角出发，系统揭示了纳米材料在鱼体内的毒性传递机制，并探索了益生菌干预的缓解策略。研究人员采用为期5周的亚慢性暴露实验设计，将鲤鱼随机分为对照组、益生菌组、低剂量和高剂量CdTe QDs暴露组以及相应的益生菌干预组。通过活体荧光成像和组织切片技术追踪量子点在鱼体内的分布和积累情况，结合组织病理学分析、生化指标检测、基因表达谱分析和肠道微生物组测序等多种技术手段，全面评估了CdTe QDs对鲤鱼肠道、肝脏和脑组织的毒性效应及其分子机制。
益生菌缓解CdTe QDs诱导的肠道损伤
组织学观察显示，CdTe QDs暴露导致鲤鱼中肠结构严重破坏，包括绒毛断裂、顶端脱落、上皮坏死、水肿和炎性细胞浸润等病理变化。与此同时，肠道黏液分泌显著抑制，紧密连接蛋白occludin、zonula occludens-1和claudin-2的基因表达水平明显下调，表明肠道屏障功能受损。在分子水平上，CdTe QDs暴露显著抑制了超氧化物歧化酶活性和谷胱甘肽含量，升高了丙二醛水平，并下调了Nrf2/HO-1信号通路，表明抗氧化防御系统功能紊乱。此外，促炎因子tlr4、myd88、nf-κB/p65、il-1β和tnf-α基因表达上调，而抗炎因子il-10表达下降，证实了炎症反应的激活。值得关注的是，益生菌补充有效缓解了这些病理变化，恢复了肠道结构完整性，增强了屏障功能，并通过调节Nrf2/HO-1和TLR4/NF-κB信号通路减轻了氧化应激和炎症反应。
益生菌缓解CdTe QDs诱导的肝损伤
在肝脏组织中，CdTe QDs暴露引起了明显的病理损伤，包括胞质空泡化、核溶解、核固缩甚至细胞溶解。分子机制研究表明，CdTe QDs同样抑制了肝脏的抗氧化防御系统，并激活了TLR4/NF-κB信号通路介导的炎症反应。特别值得注意的是，高剂量CdTe QDs显著下调了mTOR和bcl-2基因表达，同时上调了atg5、lc3II、bax和caspase-3/9等基因表达。Western blot分析进一步证实了自噬标志物LC3II/LC3I蛋白比率和凋亡执行蛋白Caspase-3表达的升高，表明自噬流和凋亡级联反应被同时激活。益生菌干预通过抑制过度自噬和线粒体凋亡通路，有效减轻了CdTe QDs引起的肝毒性。
益生菌缓解CdTe QDs诱导的神经毒性
脑组织病理学分析显示，CdTe QDs暴露导致神经元纤维疏松、炎性细胞浸润、核缺失或移位以及局部神经元坏死等病变。在功能层面，乙酰胆碱酯酶活性显著降低，血清素和多巴胺水平下降，表明神经传导功能受损。与此同时，脑组织中超氧化物歧化酶活性和谷胱甘肽含量下降，丙二醛水平升高，Nrf2/HO-1通路被抑制，证实了氧化应激的存在。紧密连接相关基因occludin、claudin-2和zonula occludens-1表达下调，血脑屏障完整性受损。更为重要的是，脑组织中脂多糖水平显著升高，TLR4/NF-κB信号通路被激活，提示肠道来源的内毒素可能通过受损的肠道屏障进入循环系统并穿越血脑屏障，进而引发神经炎症。益生菌干预有效恢复了神经递质平衡，增强了抗氧化能力，加强了血脑屏障功能，并降低了脑内脂多糖水平和神经炎症反应。
益生菌改善CdTe QDs诱导的血脂异常和肝脂代谢紊乱
CdTe QDs暴露引起了明显的血脂异常，表现为甘油三酯、总胆固醇和低密度脂蛋白胆固醇水平升高，高密度脂蛋白胆固醇水平降低。在分子机制上，肝脏脂质合成转录因子srebp-1c及其下游酶fas基因表达上调，而线粒体脂肪酸β-氧化限速酶cpt-1α和极低密度脂蛋白组装分泌关键蛋白mttp基因表达下调，表明肝脂代谢平衡被打破。益生菌补充有效缓解了这些代谢紊乱，通过调节脂质合成和氧化途径以及恢复肠-肝轴平衡，改善了CdTe QDs诱导的血脂异常和肝脂肪变性。
益生菌调节CdTe QDs诱导的肠道菌群失调
肠道微生物组分析显示，CdTe QDs暴露显著降低了微生物群的丰富度和均匀度，导致肠道菌群结构发生明显改变。在门水平上，厚壁菌门等有益菌群比例下降；在属水平上，乳酸杆菌和红杆菌等有益菌减少，而弧菌和分枝杆菌等病原菌增加，形成了促炎性微生物谱。功能预测表明，CdTe QDs抑制了氨基酸和碳水化合物代谢等关键通路，而益生菌干预则显著恢复了这些代谢途径的功能。特别值得注意的是，与短链脂肪酸生物合成密切相关的碳水化合物代谢通路呈现恢复趋势，提示益生菌可能通过调节短链脂肪酸代谢发挥其多器官保护作用。
微生物群-肠-肝-脑轴失调机制
通过冗余分析和相关性网络分析，研究揭示了CdTe QDs通过破坏微生物群-肠-肝-脑轴引发多器官毒性的系统性机制。研究发现，有益菌如乳酸杆菌和红杆菌与屏障基因、抗氧化能力、脂质转运和神经递质呈正相关，而病原菌如弧菌、气单胞菌、希瓦氏菌和黄杆菌与脂代谢紊乱、脂质过氧化、促炎因子和NF-κB激活呈正相关。跨器官相关性分析进一步表明，肠道屏障完整性与脑紧密连接蛋白表达高度正相关，脑脂多糖水平与炎症、脂质过氧化、肝脂积累和凋亡等病理特征正相关，而神经递质水平与肠脑屏障蛋白、抗氧化能力、肝抗炎反应和脂代谢等功能指标密切相关。
该研究首次系统阐明了CdTe QDs通过微生物群-肠-肝-脑轴引发多器官毒性的机制，并证实益生菌干预可作为缓解纳米材料毒性的有效策略。研究不仅为评估纳米材料的水生生态风险提供了新视角，也为开发基于微生物干预的环境污染修复策略奠定了理论基础。未来研究需重点关注环境相关剂量下CdTe QDs的长期效应，以及益生菌干预在不同环境条件和纳米材料类型中的普适性，为纳米材料的生态安全评估和风险管理提供更加全面的科学依据。
