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本研究针对食品加工中形成的有害污染物——3-氯-1,2-丙二醇（3-MCPD）的代谢通路不清、毒性作用机制不明等问题，通过13C核磁共振谱与高分辨质谱联用技术，在大鼠模型中系统鉴定了其尿液代谢物。研究不仅确认了已知代谢物，更首次发现了5种新型代谢物，包括硫代二甘醇酸（TDGA），并通过定量分析揭示了其性别和剂量依赖性的排泄差异。该研究首次提出了3-MCPD可能通过形成2-氯乙醛中间体而产生肾毒性的代谢新通路，为阐明其毒理学作用机制及寻找人类暴露生物标志物提供了关键数据。
在我们每日的饮食中，尤其是在精炼植物油、烘焙食品乃至婴幼儿配方奶粉中，可能隐藏着一种名为3-氯-1,2-丙二醇（3-MCPD）的“不速之客”。它是油脂在高温加工过程中与氯化物反应形成的污染物，其脂肪酸酯进入人体后会被迅速水解，释放出具有潜在危害的游离3-MCPD。国际癌症研究机构（IARC）已将其归类为“可能对人类致癌”（2B类）。在动物实验中，它显示出降低精子活力、引发肾病和肾小管增生的能力，欧洲食品安全局（EFSA）因此设定了严格的每日耐受摄入量。然而，一个关键的科学谜题长期悬而未决：3-MCPD究竟在体内经历了怎样的代谢转化？其导致肾脏等特定器官毒性的分子机制是什么？由于缺乏完整的代谢图谱，科学家们难以精准评估其健康风险，也阻碍了有效暴露监测生物标志物的发现。
为了破解这一谜题，并填补3-MCPD代谢知识的空白，一支研究团队在大鼠模型中展开了一项深入探索。他们给大鼠口服高剂量的3-MCPD或其稳定同位素标记的[13C3]3-MCPD，然后像侦探一样，运用两种强大的“侦查工具”——一维和二维13C核磁共振（NMR）光谱与高分辨质谱（HRMS），对收集到的尿液进行了地毯式搜索。这项研究的结果以题为“Characterization and quantitation of urinary metabolites of 3-monochloropropane-1,2-diol (3-MCPD) in rats”的论文形式，发表在国际毒理学权威期刊《Archives of Toxicology》上。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，建立了动物实验模型，对雄性及雌性Wistar大鼠进行单次口服给药，并分时段收集尿液样本。其次，综合运用了多种高灵敏度的分析化学技术，包括：1）气相色谱-质谱联用（GC-MS）和液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）用于目标代谢物的准确定量；2）高分辨质谱（HRMS）结合数据依赖采集模式，进行非靶向代谢物鉴定与结构解析；3）13C核磁共振光谱，特别是“令人难以置信的自然丰度双量子转移实验”（INADEQUATE），用于确认代谢物中碳原子的连接顺序，这在鉴定含有13C标记的代谢物时具有独特优势。
研究结果
1. 通过一维和二维13C NMR谱鉴定尿液中[13C3]3-MCPD的代谢物
研究人员首先比较了对照组和给药组大鼠尿液的13C NMR谱图。在给予[13C3]3-MCPD的大鼠尿液中，他们观察到了多个由相邻13C耦合产生的多重峰信号，这是内源性物质中罕见的。通过INADEQUATE二维谱分析碳原子间的连接性，他们初步鉴定出五种代谢物（M1-M5）。其中，M1被确认为原型化合物3-MCPD本身；M2和M3分别与已知代谢物DHPMA和3-MCPD硫酸酯的推测结构吻合；而M4和M5则被推测为含有两个相邻13C原子的羧酸类新代谢物，其化学位移提示可能为硫代二甘醇酸（TDGA）及其氧化产物硫氧基二甘醇酸（TNDGA）。
2. 利用高分辨质谱（HRMS）鉴定大鼠尿液中3-MCPD或[13C3]3-MCPD的代谢物
为了进一步确认和发现更多代谢物，研究团队采用了HRMS进行分析。通过对比非标记和13C标记样本中的精确质量数、同位素分布、保留时间和碎片谱图，他们成功鉴定出8种代谢物。这包括NMR提示的DHPMA、3-MCPD硫酸酯、TDGA和TNDGA。此外，HRMS还发现了四种NMR未检测到或未能明确鉴定的代谢物：β-氯乳酸（β-ClLA）、至少三种异构体的3-MCPD葡萄糖醛酸结合物、3-羧基-2-羟基丙基巯基尿酸（CHPMA）以及3-(S-羧甲基)巯基乳酸（CMMLA）。所有鉴定均通过对应13C标记代谢物的检测得到了确认。
3. 尿液中3-MCPD代谢物的定量分析
研究对3-MCPD本身及四种主要代谢物（DHPMA, β-ClLA, TDGA, 3-MCPD硫酸酯）进行了定量测定。结果显示，在给予50 mg/kg剂量后，仅三种代谢物的平均排泄量占剂量的比例超过1%：原型3-MCPD（雄性7.3%，雌性9.7%）、DHPMA（雄性3.5%，雌性1.7%）和TDGA（雄性1.1%，雌性4.0%）。排泄模式呈现显著的性别和剂量差异：例如，DHPMA的排泄雄性显著高于雌性，而TDGA则相反；高剂量组原型3-MCPD的排泄比例高于低剂量组，提示代谢途径可能存在饱和。此外，研究还定量了[13C2]草酸的排泄量，发现其占比极低（约0.03-0.04%），远低于早期研究的推测。
结论与讨论
本研究成功绘制了一幅迄今为止最为详尽的大鼠体内3-MCPD代谢图谱。除了确认3-MCPD本身、DHPMA、β-ClLA、3-MCPD硫酸酯和草酸这5种已知代谢物外，首次在大鼠尿液中鉴定出5种新型代谢物：TDGA、TNDGA、3-MCPD葡萄糖醛酸结合物、CHPMA和CMMLA。所有代谢物共同构成了一个扩展的3-MCPD代谢网络。
这项研究最重要的发现之一是TDGA的鉴定。TDGA是许多氯代烷烃（如氯乙烯、1,2-二氯乙烷）经谷胱甘肽结合代谢后的终产物，其形成通常涉及2-氯乙醛和2-氯乙酸等活性中间体。在3-MCPD代谢路径中检测到TDGA，强烈暗示了2-氯乙醛可能是3-MCPD的一个新型活性代谢中间体。这一关联具有重要的毒理学意义，因为2-氯乙醛正是抗癌药异环磷酰胺在体内代谢产生的、已知介导其特定肾毒性的关键物质。因此，本研究表明3-MCPD与异环磷酰胺可能共享一条涉及2-氯乙醛的毒性通路，这为解释3-MCPD观察到的肾毒性（如肾小管增生）提供了全新的分子机制假说。
此外，定量数据显示，尿液总代谢物排泄量仅占给药剂量的12.2%（雄）至16.3%（雌），远低于此前对一些食品污染物的回收率，结合早期研究报道约有30%的剂量以CO2形式呼出，表明有相当一部分3-MCPD碳原子可能通过呼气排出，或被整合入生物分子（如通过脱氯产物参与氨基酸或脂肪酸合成），或与蛋白质/DNA形成了加合物。
在应用价值方面，研究评估了各代谢物作为人类暴露生物标志物的潜力。虽然TDGA排泄比例较高，但其缺乏特异性（多种氯代物均可产生）。而特异性高的3-MCPD硫酸酯和葡萄糖醛酸结合物排泄量很低。目前，直接检测尿液中3-MCPD本身仍是相对可靠的暴露标志物，但其排泄比例较低且前处理复杂。本研究发现的完整代谢谱为未来在人体样本中系统筛选和验证最优生物标志物奠定了基础。
总之，这项研究通过先进的代谢组学技术联用，极大地深化了对3-MCPD体内命运的理解，揭示了此前未知的代谢分支，特别是提出了其可能通过2-氯乙醛中间体引发肾毒性的新机制。这些发现不仅为阐明3-MCPD的毒作用模式提供了关键线索，也为评估其人体健康风险和开发有效的生物监测策略提供了重要的科学依据。
