《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Gut microbiota and metabolic disruption induced by food chain-transferred nanoplastics: A mediating role of
CYP26A1 in retinoic acid toxicity
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本研究针对食物链传递的聚苯乙烯纳米塑料（FCT-NPs）引发的生态健康风险，通过构建昆虫-哺乳动物食物链模型，系统探讨了FCT-NPs对小鼠肠-肝轴的影响。研究发现FCT-NPs可导致肠道菌群失调、代谢稳态破坏，并显著上调肝脏Cyp26a1基因表达，进而干扰视黄酸代谢，诱发高维生素A血症。该研究揭示了肠道菌群变化与肝功能障碍之间的分子联系，为评估纳米塑料的系统性生理生态效应提供了关键理论依据。
塑料制品因其多功能优势在现代社会中得到日益广泛的应用，然而塑料废弃物的持续积累给生态系统带来了日益沉重的负担，并对全球环境可持续性构成严重威胁。通过光降解、波浪作用、风蚀和微生物活动等过程，塑料碎片会破碎成微米和纳米级颗粒。这些颗粒如今已渗透到各种环境介质中，引发了人们对其生态影响和人类健康风险的日益担忧。人类主要通过饮食摄入、吸入和皮肤接触等途径暴露于微纳米塑料，其中通过食物链的饮食暴露约占总暴露量的75%。近期研究阐明了微纳米塑料在生态系统中的营养传递和生物放大效应。纳米级的尺寸和高比表面积使得纳米塑料不仅能被组织和细胞高效内化，还能穿越关键的生物屏障。有证据表明，纳米塑料可在人类精液中被检测到，并能穿透血脑屏障。先前的研究已经证实了微纳米塑料从黄粉虫（Tenebrio molitor幼虫）向哺乳动物的营养传递，导致其在内脏器官中积累。
作为摄入污染物的主要界面，肠道菌群对于维持宿主稳态至关重要，在营养吸收、屏障保护和免疫调节等方面发挥着关键作用。新兴研究表明，纳米塑料可诱导肠道菌群失调，其特征是机会性病原体增殖的典型模式，同时有益益生菌种群耗竭。这种菌群失调可能由纳米塑料对微生物群落的直接选择压力以及涉及宿主肠道损伤和炎症的间接途径驱动。鉴于肠道菌群在宿主代谢和免疫中的关键作用，这种菌群失调可引发一系列疾病，包括肝脏疾病、糖尿病和炎症性肠病，引发了人们对其潜在健康影响的日益关注。然而，食物链传递的聚苯乙烯纳米塑料对肠道菌群组成和功能的影响，及其对宿主代谢稳态的后续后果，仍然知之甚少。
鉴于肠-肝轴在维持代谢稳态中的关键作用，研究人员假设食物链传递的纳米塑料会破坏肠道菌群组成，改变微生物-宿主代谢相互作用，并随后通过Cyp26a1介导的视黄酸途径诱导肝脏代谢失调。在这项研究中，研究人员采用了一个基于食物链的小鼠模型，并通过这种生态相关途径让动物暴露于聚苯乙烯纳米塑料。利用Illumina NovaSeq测序和非靶向代谢组学，研究人员观察到肠道细菌属（如Weissella和Sphingomonas）的显著变化，这些变化与视黄酸和胆汁酸代谢的改变相关。转录组学分析进一步揭示，肠道菌群失调通过Cyp26a1介导的视黄酸途径影响肝脏基因表达。通过阐明这种特定的肠-肝轴机制，本研究验证了所提出的假设，为环境纳米塑料的生态健康风险提供了新的见解，并为通过环境现实途径评估纳米塑料的系统性肝毒性和多器官影响奠定了关键基础。
为了开展这项研究，研究人员主要应用了以下几项关键技术：首先，建立了黄粉虫至小鼠的食物链传递模型，用于模拟生态相关的纳米塑料暴露途径。其次，采用16S rRNA基因扩增子测序（针对V3-V4高变区）对小鼠肠道内容物进行微生物群落分析。第三，利用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）非靶向代谢组学技术检测小鼠肝脏组织的代谢物谱。第四，通过RNA测序（RNA-seq）分析小鼠肝脏组织的转录组，筛选差异表达基因。最后，使用定量实时聚合酶链式反应（qRT-PCR）对关键基因（如Cyp26a1和Cyp17a1）的表达进行验证。
3.1. FCT-NPs在小鼠肝脏和肠道中的生物累积
研究人员首先证实了食物链传递的纳米塑料能够在哺乳动物体内易位和生物累积。通过荧光显微镜观察和定量分析，发现在喂食了暴露于PS-NPs的黄粉虫的小鼠（FCT-NPs组）的肝脏和肠道组织中，均有显著的纳米塑料积累，而对照组则未检测到。同时，FCT-NPs组小鼠的体重在7天喂养期间下降，与对照组体重的持续增加形成鲜明对比，表明纳米塑料暴露对宿主生理产生了影响。
3.2. FCT-NPs降低肠道微生物多样性并破坏菌群
肠道菌群α多样性分析表明，与对照组相比，FCT-NPs暴露显著降低了小鼠肠道微生物的多样性。等级丰度曲线和稀疏曲线均显示FCT-NPs组物种丰富度下降。Beta多样性分析（NMDS和PCoA）进一步揭示了FCT-NPs组与对照组之间肠道菌群组成的显著差异。在属水平上，FCT-NPs组表现出机会性病原菌（如Weissella和Desulfovibrio）的富集，而有益益生菌（如Lactobacillus reuteri和Allobaculum）则减少。线性判别分析效应大小（LEfSe）分析在物种和属水平上鉴定出多个显著差异的微生物类群。
3.3. FCT-NPs通过视黄酸途径改变肠道菌群和代谢
非靶向代谢组学分析显示，FCT-NPs组与对照组的代谢物谱存在显著差异。变量重要性投影（VIP）评分确定视黄酸是受FCT-NPs暴露影响最显著的代谢物。此外，胆汁酸（如异去氧胆酸）水平也发生显著变化。KEGG通路富集分析发现，视黄醇代谢、初级胆汁酸生物合成和肠道免疫网络IgA产生等通路受到显著影响。其中，视黄醇代谢通路被确定为关键的调控通路，FCT-NPs组中视黄酸水平显著降低。
3.4. Cyp26a1将肠道菌群变化与FCT-NPs暴露引起的代谢失调联系起来
相关性网络热图分析揭示了关键代谢物（如视黄酸、胆汁酸）与特定肠道微生物物种之间的显著关联。例如，Sphingomonas与胆汁酸密切相关，而Weissella与视黄酸显示出强相关性。肠道菌群的功能预测分析表明，FCT-NPs组具有独特的代谢能力。转录组学和qRT-PCR分析均证实，FCT-NPs暴露导致肝脏中Cyp26a1和Cyp17a1基因表达显著上调。CYP26A1是负责视黄酸降解的关键酶，其上调与视黄酸代谢紊乱密切相关，被认为是FCT-NPs诱导肝毒性的关键分子事件。
3.5. FCT-NPs暴露的双重影响：改变肝脏代谢和肠道菌群失衡
加权基因共表达网络分析（WGCNA）确定了与特定肠道菌群强烈相关的基因模块，强调了微生物变化与肝脏基因表达之间的密切关系。功能分类分析显示，与防御机制、RNA加工和修饰以及脂质转运和代谢相关的功能模块受到FCT-NPs暴露的显著影响。基因集富集分析（GSEA）进一步证实了与肠道菌群动态变化相关的全基因组代谢调控发生了显著改变，特别是影响了视黄酸和初级胆汁酸生物合成通路。
本研究通过多组学整合分析，阐明了一个生态相关的纳米塑料毒性机制。研究结论表明，通过食物链传递的纳米塑料能够显著改变肠道菌群组成，导致机会性病原菌增殖和有益菌减少，引发肠道菌群失调。这种菌群失调进而破坏了宿主的代谢稳态，特别是干扰了视黄酸和胆汁酸的代谢。肝脏转录组分析发现，Cyp26a1基因的表达显著上调，这可能是肝脏应对视黄酸代谢紊乱的一种适应性反应，但最终导致了高维生素A血症相关的肝损伤。讨论部分指出，肠-肝轴是纳米塑料毒性的关键靶点，肠道菌群变化通过影响胆汁酸代谢和FXR信号通路等，间接调控肝脏CYP26A1表达和视黄酸分解代谢。这项研究的意义在于首次在食物链传递的背景下，系统地揭示了纳米塑料通过肠道菌群-Cyp26a1-视黄酸代谢轴诱发肝毒性的分子机制，强调了在评估纳米塑料环境风险时考虑营养级传递的重要性。研究结果为理解纳米塑料的系统性生理生态效应提供了新的视角，也为开发针对肠道菌群和CYP26A1的干预策略以减轻纳米塑料毒性提供了潜在靶点。该论文发表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》期刊上。
