《Molecular Psychiatry》：Spatial transcriptomic profiling uncovers the molecular effects of the neurotoxicant polychlorinated biphenyls (PCBs) in the brains of adult mice
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本研究针对环境神经毒物多氯联苯(PCBs)与认知衰退的关联，通过给予成年雄性C57BL/6J小鼠口服人源相关PCB混合物(HR-PCB)七周，利用空间物体识别任务评估其长期空间记忆，并采用先进的空间转录组学技术分析海马、新皮层等五个脑区的基因表达谱。研究发现PCB暴露损害小鼠空间记忆，并鉴定出脑区内特异性差异表达基因，网络分析提示高氯代PCB同系物与这些变化相关。尤为重要的是，研究揭示了PCB破坏血脑屏障紧密连接蛋白表达，为阐释PCB影响脑功能与认知的分子机制提供了新见解。
在当今工业化社会中，环境污染物对大脑健康的潜在威胁日益引发关注。其中，多氯联苯（PCBs）作为一类高度稳定的合成有机化合物，尽管其生产和使用已在数十年前受到严格限制，但由于其持久性和生物累积性，至今仍广泛存在于空气、水和土壤中，甚至在人死后的大脑组织中被检测到。越来越多的流行病学证据表明，环境污染物，尤其是神经毒物，与阿尔茨海默病及相关痴呆症（ADRD）等神经退行性疾病的风险增加存在关联。PCB暴露与老年人认知功能下降的关联性也已被报道，提示其神经毒性可能与痴呆症中的记忆表现有关。然而，由于从暴露到ADRD发病之间存在漫长的时间间隔，在人群中进行相关研究面临巨大挑战。因此，利用动物模型深入探究PCB混合物如何影响大脑功能和认知，并揭示其背后的分子效应，显得至关重要。
为了回答这一问题，研究人员在《Molecular Psychiatry》上发表了一项研究，他们让成年雄性C57BL/6J小鼠口服一种模拟人脑PCB平均分布特征的人源相关PCB混合物（HR-PCB），持续七周。随后，通过空间物体识别任务评估小鼠的长期空间记忆，并利用空间转录组学这一前沿技术，分析了小鼠五个关键脑区（海马、新皮层、丘脑、尾壳核和纤维束）的基因表达变化。
研究人员为开展此项研究，主要运用了以下几个关键技术方法：首先，通过口服灌胃方式对小鼠进行为期七周的HR-PCB混合物暴露；其次，利用空间物体识别行为学实验评估小鼠的长期空间记忆功能；接着，采用气相色谱-串联质谱技术对小鼠脑组织中的PCB同系物进行定性和定量分析；最后，核心技术创新点在于应用10X Genomics Visium空间转录组学平台，对新鲜冰冻的脑组织切片进行高通量基因表达谱分析，并结合生物信息学方法进行差异基因表达、基因本体富集和网络分析。研究所用小鼠样本量为24只雄性C57BL/6J小鼠。
PCB损害成年小鼠的长期空间记忆
行为学实验结果表明，暴露于HR-PCB混合物的小鼠在空间物体识别任务测试阶段，对移动物体的辨别能力显著低于对照组小鼠，而其总探索时间并无差异。这表明HR-PCB暴露特异性损害了小鼠的长期空间记忆，而并未影响其焦虑样行为或运动功能。
PCB暴露导致小鼠脑中高氯代PCB同系物富集
对小鼠脑组织的PCB分析显示，大脑中的PCB谱与初始的HR-PCB混合物谱存在差异，出现了高氯代PCB同系物的富集。总共检测到69种个体或共流出的PCB同系物，总∑PCB负荷为3360 ng/g ww，以五氯到九氯联苯为主。计算出的二噁英样PCB的毒性当量（WHO-TEQ）为0.013 ng/g ww。
PCB在不同脑区介导 distinct 基因表达特征
空间转录组学分析成功鉴定了五个主要脑区。差异表达基因分析揭示，丘脑受HR-PCB影响的显著DEGs数量最多（177个），其次是纤维束（162个）、海马（161个）、新皮层（148个）和尾壳核（72个）。基因本体分子功能富集分析显示，在海马和新皮层，与rRNA结合、大核糖体亚基rRNA结合以及泛素-蛋白转移酶活性调节相关的基因表达上调；而与P型钠钾交换转运体活性相关的基因则下调。值得注意的是，与解毒作用相关的谷胱甘肽S转移酶基因Gstp1在多个脑区表达上调。
脑PCB空间转录组的相互作用网络分析揭示了特定基因与PCB同系物的关联
利用xMWAS进行的网络分析探索了PCB同系物水平与空间转录组学获得的DEG谱之间的关联。研究人员重点关注了在海马和新皮层中受HR-PCB影响的四个基因：Dpysl2、Gstp1、Morf4l1和Spock1。在新皮层，共有62种PCB（主要是四氯到八氯代PCB）与这四个基因密切相关。在海马，59种PCB（从三氯到十氯代）与这四个基因显示出强关联，其中大多数与Dpysl2、Morf4l1和Spock1呈负相关，而与Gstp1呈正相关。
PCB暴露影响血脑屏障完整性
研究发现，HR-PCB暴露导致脑组织中紧密连接蛋白Occludin和Afadin的蛋白表达水平显著降低，而Claudin-5、ZO-1和ZO-2的表达未发生显著变化。这提示PCB暴露可能特异性破坏某些关键的紧密连接蛋白，从而损害血脑屏障的完整性。
归纳研究结论与讨论部分，本研究首次结合行为学、化学分析与空间转录组学技术，系统揭示了HR-PCB混合物暴露对成年小鼠空间记忆及多个脑区转录组的负面影响。研究发现PCB暴露导致脑内高氯代同系物富集，并引起脑区特异性的基因表达改变，这些改变涉及核糖体生物合成、离子转运、细胞骨架结构以及解毒反应等多个关键分子功能。相互作用网络分析进一步将特定的PCB同系物与差异表达基因联系起来。更重要的是，研究证实PCB暴露会破坏血脑屏障关键蛋白的表达，这为理解PCB如何进入大脑并发挥神经毒性提供了潜在的机制解释。这些发现为揭示环境污染物PCB在分子水平上损害脑功能和认知的机制提供了重要的新见解，强调了环境因素在神经退行性疾病发生发展中的重要作用，对评估PCB的神经健康风险和制定相应的防护策略具有重要意义。未来的研究需要进一步在细胞类型特异性水平上探讨PCB的剂量依赖效应和性别差异，从而为开发靶向干预措施奠定基础。
