《Environment International》：Combined effects of ozone and heat on intestinal barrier integrity and epithelial renewal: mediating roles of gut microbiota and tryptophan metabolism
编辑推荐：
随着热浪频发和臭氧污染加剧，联合暴露的健康风险日益突出，但其对胃肠道的影响机制尚不明确。为此，研究人员通过小鼠模型，系统探究了臭氧与热应激联合暴露对肠道屏障和干细胞功能的影响及其机制。研究发现，联合暴露以叠加方式加剧了肠道损伤，其核心机制在于肠道菌群失调，特别是Alistipes finegoldii的富集，通过增强色氨酸代谢、产生吲哚衍生物，进而过度激活芳烃受体（AhR）信号通路，最终导致肠道干细胞（ISC）功能障碍和线粒体损伤。该研究首次揭示了A. finegoldii–色氨酸代谢产物–AhR轴是介导气候相关复合环境暴露导致肠道损伤的关键通路，为理解环境应激的肠外效应和制定干预策略提供了新靶点。
气候变化正以前所未有的速度重塑我们的环境，其中两个显著的威胁是日益频繁的极端高温（热浪）和不断升高的近地面臭氧浓度。这两种环境压力因素常常在夏季同时出现，高温甚至会加速大气光化学反应，导致臭氧污染进一步加剧。流行病学研究已证实，高温和高浓度臭氧的单独或共同暴露，会显著增加心血管和呼吸系统疾病的发病与死亡风险。然而，现有研究大多聚焦于它们对呼吸、心血管等系统的直接影响，对于同样作为人体与外界环境关键交互界面的胃肠道，会如何应对这种“双重打击”，其内在的损伤机制是什么，科学界仍知之甚少。这成为一个亟待填补的知识空白。为了回答这个问题，一支由Jiahao Zhang、Miao Li、Yuzhi Guo、Xinhang Jiang、Wenxue Li、Jingwen Huang、Yahan Yang、Zehua Ou、Yulu Cai、Yue Kong、Lian Li、Bo Deng、Lizhu Ye、Liping Chen、Qing Wang、Daochuan Li、Wen Chen和Shen Chen组成的研究团队，在《Environment International》上发表了一项开创性研究，系统揭示了臭氧与高温联合暴露破坏肠道稳态的完整分子与细胞通路。
为了探究臭氧与高温单独及联合暴露对肠道的影响，研究人员设计了一套精密的动物暴露系统。他们以8周龄雄性C57BL/6J小鼠为模型，将其分为四组：对照组（22°C，过滤空气）、臭氧暴露组（22°C，1 ppm臭氧）、高温暴露组（34°C，过滤空气）以及联合暴露组（34°C，1 ppm臭氧）。小鼠每天暴露3小时，每周5天，持续4周，以模拟反复的环境应激。研究过程中，团队监测了小鼠的生理指标，并在暴露结束后，综合运用了肠道组织病理学评估（H&E染色、AB-PAS染色）、免疫荧光染色（检测紧密连接蛋白ZO-1、增殖标志物Ki67等）、肠道类器官培养、16S rRNA基因测序、非靶向代谢组学以及实时荧光定量PCR（qRT-PCR）等一系列关键技术。此外，为了验证肠道菌群的因果性作用，研究还进行了复杂的功能获得与功能缺失实验，包括使用广谱抗生素清除肠道菌群、将暴露小鼠的粪便菌群移植给无菌小鼠、用暴露小鼠的肠道内容物灌胃受体小鼠，以及特异性定植关键菌种Alistipes finegoldii。最后，通过使用AhR通路拮抗剂CH223191，在体内和体外（类器官水平）阻断了该信号通路，以确认其介导作用。
3.1. 臭氧与热应激对小鼠的单独及联合效应表征
研究发现，与对照组相比，高温暴露组和联合暴露组小鼠体重轻微下降。在肠道和肺部，代表氧化应激水平的丙二醛（MDA）含量显著升高，而超氧化物歧化酶（SOD）活性呈下降趋势，表明暴露诱导了显著的氧化应激。此外，肠道中热休克蛋白HSF1和HSP70的mRNA水平在联合暴露组明显上调。交互作用分析显示，臭氧与高温在增强氧化应激和激活热休克反应方面主要产生叠加效应。
3.2. 臭氧与高温单独及联合暴露对小鼠肠道屏障完整性和ISC更新的影响
组织学分析显示，臭氧和高温单独暴露均能破坏肠道形态，导致回肠绒毛变短、变宽，杯状细胞数量减少，紧密连接蛋白ZO-1表达下降。而联合暴露造成了最严重的损伤。免疫荧光染色发现，肠道隐窝中增殖细胞（Ki67+）的数量在所有暴露组均减少，以联合暴露组最为显著。更直接的证据来自肠道类器官实验：从暴露小鼠分离的肠道隐窝，在体外形成具有复杂结构的类器官的能力（形成率和出芽率）显著受损，表明肠道干细胞（Intestinal Stem Cell, ISC）的增殖和分化功能被抑制。交互作用分析再次表明，臭氧和高温对绒毛形态、屏障功能和ISC功能的影响主要是叠加性的。
3.3. 臭氧与高温单独及联合暴露对应激对肠道菌群和代谢物的影响
通过16S rRNA测序，研究人员发现暴露显著改变了肠道菌群结构。其中，一个名为Alistipes的菌属在高温和联合暴露组中富集尤为明显，物种水平分析进一步锁定为Alistipes finegoldii （A. finegoldii），其在联合暴露组的丰度相比对照组增加了21.2倍。非靶向代谢组学分析则发现，暴露组粪便代谢谱发生显著改变，尤其是色氨酸代谢通路被激活。几种关键的吲哚衍生物，如吲哚-3-乙酸（IAA）和吲哚丙烯酸的含量在暴露组，特别是联合暴露组中显著升高。这提示菌群改变与色氨酸代谢增强之间存在关联。
3.4. 肠道菌群在介导臭氧与高温联合暴露对肠道完整性及ISC功能影响中的作用
为确认菌群的因果作用，研究人员用抗生素清除小鼠肠道菌群后，再给予其环境暴露。结果发现，菌群清除几乎完全阻止了暴露引起的肠道绒毛损伤、杯状细胞减少和ISC增殖能力下降。相反，将暴露小鼠的粪便菌群移植给经抗生素处理的受体小鼠，足以在受体小鼠中“复制”出与供体小鼠类似的肠道损伤和ISC功能障碍表型。这些功能实验强有力地证明，失调的肠道菌群是暴露导致肠道损伤的必要媒介。
3.5. 菌群来源的代谢物介导了臭氧与热应激对ISC分化的影响
为进一步明确是否是菌群产生的代谢物直接起作用，研究用暴露小鼠的肠道内容物灌胃正常小鼠，或将内容物直接添加到体外培养的类器官体系中。结果显示，接受暴露组肠道内容物的受体小鼠出现了类似的肠道结构损伤，其来源的肠道类器官生长和分化能力也显著受损。这表明暴露后肠道内的代谢物环境本身就能损害ISC功能。
3.6. Alistipes finegoldii通过色氨酸代谢阻碍ISC分化与增殖
基于前述发现，研究聚焦于关键菌A. finegoldii。将活的A. finegoldii定植于小鼠肠道后，即使在没有环境暴露的情况下，也足以导致肠道绒毛变短、杯状细胞减少、隐窝细胞增殖下降，以及类器官形成能力减弱。代谢检测发现，定植A. finegoldii的小鼠粪便中，色氨酸代谢产物吲哚、色胺和IAA的水平显著升高。这表明A. finegoldii通过其色氨酸代谢能力，改变了肠道代谢环境。
3.7. 色氨酸分解代谢产物-AhR信号通路导致臭氧与高温联合暴露诱导的ISC功能障碍
吲哚衍生物是芳烃受体（Aryl Hydrocarbon Receptor, AhR）的经典配体。研究推测，上述代谢变化可能通过激活AhR通路起作用。在体内实验中，使用AhR拮抗剂CH223191预处理，可以显著缓解臭氧、高温及联合暴露引起的肠道绒毛缩短和类器官形成缺陷。在体外，该拮抗剂也能逆转暴露组肠道内容物对类器官生长的抑制作用。机制上，研究发现暴露引起的代谢物积累会导致AhR过度激活，进而引起线粒体氧化磷酸化相关基因（如Ndufs1, Atp5g1等）表达下调，即导致线粒体功能障碍，这可能是ISC功能受损的直接原因。
该研究的结论与讨论部分清晰勾勒出了一条完整的“环境暴露-菌群-代谢-宿主应答”链条。研究首次证实，臭氧与高温联合暴露会以叠加方式破坏肠道屏障完整性并损害ISC功能。其核心机制在于，联合暴露引发了显著的肠道菌群失调，导致A. finegoldii等菌种异常富集。这些菌增强了色氨酸向吲哚衍生物（如IAA）的代谢转化。过量的吲哚衍生物作为配体过度激活了AhR信号通路。异常的AhR信号传导进而诱导线粒体功能障碍，最终抑制了ISC的增殖与分化能力，破坏了肠上皮的自我更新与修复。由此，研究提出了“A. finegoldii–色氨酸代谢产物–AhR轴”是介导气候相关复合环境暴露导致肠道损伤的关键通路。
这一发现具有多重重要意义。首先，它将研究视野从传统的呼吸、心血管系统拓展至胃肠道，揭示了气候变化通过肠道菌群影响全身健康的新途径，为理解环境因素的“肠外效应”提供了新视角。其次，研究明确了肠道菌群及其代谢物在环境应激应答中的核心“翻译器”角色，以及AhR信号在其中的双重性（适度激活有益，过度激活有害），为相关疾病的机制研究提供了新思路。最后，该研究鉴定出的关键菌A. finegoldii、关键代谢通路（色氨酸代谢）和关键宿主受体（AhR），为未来开发针对性的微生态干预、营养或药物策略以缓解气候相关健康风险提供了潜在的精准靶点。尽管该结论基于小鼠模型，且未深入探讨这种肠道损伤如何影响肝脏、大脑等其他器官（即肠-肝轴、肠-脑轴），但它无疑为全面评估复合环境暴露的健康风险、并制定前瞻性的公共卫生防护策略奠定了重要的科学基础。
