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质谱成像揭秘：PM2.5暴露影响后代认知情绪更差

2020.9.05

香港浸会大学环境与生物分析国家重点实验室蔡宗苇教授团队题为“Airborne fine particulate matter induces cognitive and emotional disorders in offspring mice exposed during pregnancy”的文章在线发表于Science Bulletin。区别于传统环境毒理学的研究方法，该研究结合质谱成像和组学技术以及分子生物学技术, 分析了妊娠期大气细颗粒物（空气动力学直径≤2.5 μm, PM2.5）对子代认知和情绪发展的影响，为精准探索跨代际PM2.5毒性与神经退行性相关疾病的研究提供了重要信息。
PM2.5组成成分极为复杂多样，可通过多种方式进入肺泡并产生沉积，继而通过肺细胞渗透至血液循环系统进入全身，甚至可穿过胎盘和胎儿血脑屏障影响子代的生长发育。流行病学研究已证实PM2.5暴露可增加神经退行性疾病的发病风险。然而，妊娠期PM2.5暴露对子代行为、相关作用机制以及相关靶器官定位的影响尚不清楚。蔡宗苇团队结合组织形态学、质谱2D/3D成像技术和分子生物学, 选取山西太原地区冬季PM2.5标本，参考PM2.5日均浓度和成年小鼠的呼吸量选择暴露浓度，研究妊娠期暴露PM2.5小鼠母体-胎盘-胎儿(E18)-成年子代，重要发现如下：

1器官损伤和行为变化

动物行为学实验结果表明，妊娠期PM2.5暴露诱导雌性子代小鼠发生显著的认知和情绪障碍。形态学结果发现PM2.5暴露导致雌性子代小鼠海马CA1、CA3和DG微区神经元细胞数量显著减少，Nissl小体结构紊乱，胞浆减少，以及CA3和DG微区结构松散和萎缩。海马区组织形态学的显著变化与子代行为的改变密切相关。相对而言，雄性子代形态学变化并不显著。

胎盘的主要功能是在胎儿和母亲之间传递废物和营养，在调节胎儿-母体免疫系统和介导母体血液中外源化合物方面发挥重要作用，并分泌激素来影响胎儿的发育生长。该研究形态学结果表明除了母体蜕膜区之外，经过PM2.5暴露的雌性胎盘连接层中滋养巨细胞形状不规则、分散并增大，海绵状滋养细胞减少。这些变化都可引起激素分泌失调，影响血管生成和组织重塑。此外，雌性胎盘迷宫区域的细胞滋养层发生钙化，可能导致胎盘屏障的破坏和功能障碍，并影响胚胎发育。

2靶器官精准定位

脂质小分子在母体-胎盘-胎儿系统中发挥重要功能，可维持脑细胞膜结构的完整性和细胞内-细胞间信号的传递，并调控胎盘功能。以质谱为基础的2D和3D成像技术，是一种免标记、高通量和高灵敏度的分析技术，广泛应用于细胞、组织和人体肿瘤中生物小分子、大分子和金属离子的原位定性、定量和定位分析。该团队将质谱成像技术扩展到环境污染物毒理学研究中，对污染物和相关的生物标志物、代谢产物进行空间分析(Chao Zhao， et.al， Environ. Int. 2020. 135: 105378; J. Hazard. Mater. 2018, 358: 503; Anal chem. 2018， 90， 3196; Chin. Chem. Lett. 2018, 29, 1281)。
该研究选取小鼠子代海马区、胎儿脑部、胎盘和胎儿性腺进行质谱和质谱成像研究，并对完整小鼠胎儿进行3D质谱成像。与组织形态学结果比较，能够精确鉴定出PM2.5暴露相关的靶器官，包括胎儿脑部的背侧大脑皮层和海马形成微区、子代海马体和胎盘的迷宫和连接微区。所得到的结果通过对阿尔兹海默症相关的转基因小鼠模型和帕金森患者脑脊液的分析得到了验证(图1)。

图1 代表性脂质小分子(SM (d44:1))在小鼠组织中的空间分布: (a) 完整胎儿3D质谱成像; (b)胎儿2D质谱成像; (c) 成年子代小鼠脑成像

3性别差异相关的分子机制初探

神经炎症、趋化细胞因子、母体-胎盘-胎儿系统中关键因子的合成代谢以及PM2.5样本的复合毒性被认为是妊娠期PM2.5暴露可能导致后代行为障碍、造成性别差异的潜在因素，分子机制十分复杂。该研究选取母体-胎盘-胎儿系统为研究对象，对细胞炎症因子(IL-1β和IL-10)、神经递质5-羟色胺及其代谢途径和脂质重编程进行分析，研究发现妊娠期PM2.5暴露诱导的子代性别差异是多种因子共同调控的结果：与雄性子代相比，雌性子代多器官产生显著地变化，包括促炎作用上调、5-羟色胺合成减少以及甘油磷脂和鞘脂生物合成和降解的紊乱。其中，过度释放促炎性细胞因子降低了5-羟色胺的合成(图2)。研究结果有助于了解妊娠期PM2.5暴露对后代行为以及多器官重塑的影响，为阐明相关疾病发生的分子机制提供依据。