全氟烷基物質(zhì)和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）與多種健康問題相關(guān)，包括癌癥和免疫系統(tǒng)影響，且在淡水魚中的生物累積現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，PFAS在淡水魚中的積累不僅影響魚類的健康，還可能通過食物鏈影響其他動物和人類。

8月22日，中國藥科大學(xué)儲衛(wèi)華團隊以淡水水生動物鯽魚為模型對全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）的神經(jīng)毒性和菌群紊亂開展了深入研究，研究成果以題為“Neurotoxicity and intestinal microbiota dysbiosis induced by per- and polyfluoroalkyl substances in crucian carp (Carassius auratus)”發(fā)表在Journal of Hazardous Materials上。

該研究以淡水水生動物鯽魚為模型對全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS）的神經(jīng)毒性和菌群紊亂進行研究，發(fā)現(xiàn)PFAS 可能會破壞腸道微生物群的穩(wěn)定性，從而造成不同程度的組織損傷，證明了PFAS對鯽魚有神經(jīng)毒性，并導(dǎo)致菌群紊亂。研究成果為評估全氟和多氟烷基污染物在水生環(huán)境濃度下的毒性提供了啟示。

中文標(biāo)題：全氟和多氟烷基物質(zhì)誘導(dǎo)鯽魚的神經(jīng)毒性和腸道菌群失調(diào)

英文標(biāo)題：Neurotoxicity and intestinal microbiota dysbiosis induced by per- and?polyfluoroalkyl substances in crucian carp (Carassius auratus)

合作單位：中國藥科大學(xué)

發(fā)表期刊：Journal of Hazardous Materials

影響因子：?12.2

研究對象：鯽魚

研究方法：二代微生物多樣性、QPCR檢測

百邁客生物為該研究提供了微生物多樣性測序及部分數(shù)據(jù)分析服務(wù)。

研究背景

水污染和PFAS殘留已成為全球性的環(huán)境問題。暴露于PFAS已被證明會引起毒性作用。然而，在大多數(shù)研究中，PFAS暴露濃度很高，導(dǎo)致研究結(jié)果低估了實際環(huán)境濃度下的毒性作用。魚是脊椎動物中最大、種類最多的一類。魚類作為胚胎學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)和環(huán)境生物學(xué)研究的實驗?zāi)Ｐ驮絹碓接杏?。鯽魚(Carassius auratus)因其口感鮮美、營養(yǎng)價值高而成為人們喜愛的淡水魚，由于適應(yīng)性強，鯽魚養(yǎng)殖地區(qū)多，分布廣泛，2020年占淡水養(yǎng)殖魚類總產(chǎn)量的8.90%。因此，研究鯽魚對不同污染物的應(yīng)激反應(yīng)具有重要意義。該研究主要研究了PFAS對鯽魚神經(jīng)系統(tǒng)和腸道菌群的毒性，腦和腸道組織病理學(xué)變化表明，PFAS加重了對鯉魚腦和腸道組織病理學(xué)的影響。

材料與方法

材料：

處理條件：對照組(Con)、全氟辛烷磺酸(PFOS)、全氟辛酸(PFOA)、十一氟己酸(PFHxA)組指標(biāo)檢測：過氧化氫酶(CAT)、總超氧化物歧化酶(T-SOD)、谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)、丙二醛(MDA)、乙酰膽堿酯酶(AChE)

方法：二代微生物多樣性、QPCR檢測

研究結(jié)果

1.行為模式及指標(biāo)檢測分析

研究了三種PFAS對鯽魚行為模式的影響。與對照組相比，PFOA和PFHxA組鯽魚的靜息行為數(shù)量顯著減少。PFOA組和PFOS組的上學(xué)行為數(shù)量也顯著減少，但表面行為和追逐行為的數(shù)量在組間無顯著差異。結(jié)果表明，PFAS暴露導(dǎo)致鯽魚舒適行為降低，但攻擊行為無明顯變化。

研究了腦組織中抗氧化和氧化應(yīng)激生物標(biāo)志物的變化，發(fā)現(xiàn)PFOA處理的魚腦組織中T-SOD活性明顯受到抑制(圖1A)。與Con組相比，PFOS組CAT活性顯著降低(圖1B)， PFHxA和PFOS組GSH-Px活性顯著降低(圖1C)。此外，與Con組相比，PFOA組和PFOS組的MDA水平顯著升高(圖1D)。結(jié)果表明，PFAS降低了魚腦的抗氧化能力，造成了氧化損傷。

研究了PFAS對鯽魚腦組織乙酰膽堿酯酶和神經(jīng)遞質(zhì)活性的影響。與Con組相比，PFOA和PFOS組腦內(nèi)乙酰膽堿酯酶活性顯著降低。此外，PFOA、PFHxA和PFOS組多巴胺(DA)水平顯著降低(圖2B)。然而，去甲腎上腺素(NE)水平在實驗魚組之間沒有顯著變化(圖2C)。這些結(jié)果表明，PFAS暴露抑制了魚腦中的AChE和神經(jīng)遞質(zhì)水平，并影響了整體腦功能。

2.組織病理學(xué)染色分析

組織病理學(xué)染色分析各暴露組腦、腸基本變化。Con組腦組織組織結(jié)構(gòu)正常，包括正常的浦肯野細胞層和分子層(圖3A)。pfas治療組神經(jīng)周圍明顯空泡化。此外，PFHxA和PFOS組可見廣泛的多灶性脫鞘(圖3B和C)。在PFOA組，充血血管壁透明化，靠近收縮的神經(jīng)元，神經(jīng)周圍形成空泡(圖3D)。Con組鯽魚腸黏膜形態(tài)結(jié)構(gòu)完整，腸黏膜上皮細胞細胞核排列緊密整齊，無損傷跡象(圖4A)。在每個pfas處理組中，絨毛膜絨毛的長度顯著減少，并與一定程度的損傷有關(guān)。PFHxA和PFOS組觀察到上皮粘膜破裂(圖4B和C)， PFHxA和PFOA組腸絨毛萎縮、空泡化、細胞核紊亂(圖4B和D)。H&E染色結(jié)果表明，PFAS暴露對鯽魚腸道和腦組織造成損傷。

3.應(yīng)激相關(guān)基因和促炎細胞因子表達分析

PFOS組與Con組相比，應(yīng)激相關(guān)基因caspase-3的表達顯著升高(圖5A)。同樣，在PFHxA組中，HSP-70的表達顯著增加(圖5B)。此外，促炎細胞因子INF-γ在PFOA和PFHxA組中的表達水平顯著升高(圖5D)，而TNF-α的表達在兩組間無顯著差異(圖5C)。

4.腸道菌群分析

與Con組相比，PFHxA和PFOS組細菌群落的Simpson和Shannon指數(shù)明顯高于Con組(圖6A和B)，表明細菌物種多樣性有所增加?；贠TU的venn圖分析（圖6C），四組之間重疊OTUs數(shù)量相對較少(不超過100個)，各組特有的OTUs相對較多(均超過300個)。圖6D清楚地顯示了Con組與其他三組在微生物群方面的顯著差異，表明PFAS暴露引起了鯽魚腸道微生物群組成的變化。

在門水平上，與Con組相比，PFHxA、PFOS和PFOA組梭桿菌門的豐度減少，而變形菌門、擬桿菌門、厚壁菌門、Verrucomicrobiota和放線菌門的豐度增加(圖7A)。在屬水平上，與Con組相比，PFHxA、PFOA和PFOA組中Cetobacterium的豐度降低，Bacteroides、unclassified_Erysipelotrichaceae和Gemmobacter的豐度增加(圖7B)。采用基于不同處理的LEfSe進行線性判別分析(LDA)，確定Con組與各PFAS處理組間的種數(shù)有統(tǒng)計學(xué)差異。如圖7C所示，PFHxA組Verrucomicrobiaceae、Legionellaceae和Legionella豐度顯著增加，PFOS組Cellvibrio豐度顯著增加，PFOA組Enterobacteriaceae和Deefgea豐度顯著增加。這些結(jié)果表明，PFAS暴露改變了鯽魚腸道菌群組成，增加了潛在致病菌的數(shù)量。

根據(jù)PICRUSt2，根據(jù)特征序列預(yù)測整個群落的通路變化，并進行功能基因差異分析。與Con組相比，所有三個PFAS治療組都顯著改善了人類疾病中涉及的細胞過程和信號通路(圖8A)。利用BugBase對表型分類進行預(yù)測。與Con組相比，每個PFAS治療組顯著增加了微生物群的潛在致病性(圖8B)。在屬水平上，與Con組相比，各PFAS處理組增加了Luteolibacter的相對豐度，PFOS和PFHxA組增加了Rhodobacter和Legionella的相對豐度，PFOS組增加了decchloromonas和Aeromonas的相對豐度(圖8C)。這些結(jié)果表明，PFAS可能導(dǎo)致鯽魚腸道菌群的潛在致病性增加。

研究總結(jié)

該實驗主要研究了PFAS對鯽魚神經(jīng)系統(tǒng)和腸道菌群的毒性。研究結(jié)果表明，環(huán)境相關(guān)濃度的PFAS可以引起鯽魚腸道微生物群的破壞，并進一步引起大腦神經(jīng)化學(xué)和行為模式的變化。這些變化可能與大腦的氧化損傷以及應(yīng)激和炎癥相關(guān)基因的表達有關(guān)。這些結(jié)果為評估PFAS污染物在水生環(huán)境濃度下的毒性提供了見解。