常靜，潘一帆，魏若瑾，李濟(jì)彤，楊璐，朱莉飛，王會(huì)利,*

1. 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心環(huán)境生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085 2. 北京市水產(chǎn)科學(xué)研究所，北京 100068

據(jù)美國(guó)《化學(xué)文摘》數(shù)據(jù)庫(kù)(Chemical Abstracts Service Registry, CAS Registry)統(tǒng)計(jì)，目前市場(chǎng)上使用的化學(xué)品約有840萬(wàn)種，僅有24萬(wàn)種已經(jīng)列入監(jiān)管名錄(https://www.cas.org/about/cas-content)?；瘜W(xué)品風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)保護(hù)人類健康起到重要作用，然而傳統(tǒng)化學(xué)品毒理學(xué)評(píng)價(jià)速度(平均2～3年/化學(xué)品)[1]已經(jīng)趕不上化學(xué)品的發(fā)展速度(200～300化學(xué)品/年)[2]。目前，約80%以上化學(xué)品的環(huán)境安全信息是缺失的，這對(duì)化學(xué)品毒性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作帶來(lái)前所未有的挑戰(zhàn)[3-4]。傳統(tǒng)的毒性測(cè)試方法具有通量低、周期長(zhǎng)、敏感度低和成本高等特點(diǎn)。近年來(lái)，隨著毒理學(xué)新技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者已經(jīng)開始從傳統(tǒng)的毒理學(xué)試驗(yàn)方法向快速、靈敏和高效的試驗(yàn)方法轉(zhuǎn)變，例如，作為系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分，基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)在化學(xué)品毒性作用機(jī)制研究中具備很大優(yōu)勢(shì)。

基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)應(yīng)用于毒理學(xué)評(píng)價(jià)并不能直接提供毒性終端信息，而所有生理病理狀態(tài)的改變都可以通過(guò)直接的生物化學(xué)反應(yīng)，從內(nèi)源代謝物的濃度和種類上體現(xiàn)出來(lái)，所以，繼基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)之后，代謝組學(xué)被納入新的研究策略[5]。將代謝組學(xué)技術(shù)應(yīng)用于毒理學(xué)研究的主要原理是通過(guò)分析生物化學(xué)通路中小分子代謝物(碳水化合物、脂肪酸、核酸和氨基酸等)的變化情況篩選出早期暴露的重要生物標(biāo)記物，揭示化學(xué)品暴露之后的主要干擾通路和毒性機(jī)理。雖然，近年來(lái)代謝組學(xué)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于毒性評(píng)價(jià)領(lǐng)域，但是尚未見系統(tǒng)地介紹代謝組學(xué)在化學(xué)品毒理學(xué)研究中的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用。鑒于此，本文對(duì)此進(jìn)行綜述。

1 代謝組學(xué)概述(Overview of metabolomics)

1.1 代謝組學(xué)起源

代謝組(metabolome)最初是由Stephen Oliver在1998年提出的，主要指基因缺陷或過(guò)表達(dá)過(guò)程中導(dǎo)致的代謝物的變化情況[6]；1999年，Jeremy Nicholoson提出了代謝組學(xué)(metabonomics)的概念，指出代謝組學(xué)是通過(guò)考察生物體在經(jīng)過(guò)生理、病理刺激或者遺傳修飾后，其內(nèi)源代謝物的動(dòng)態(tài)變化[7]；2001年，Oliver Fiehn對(duì)代謝組學(xué)(metabolomics)概念進(jìn)行更新，提出代謝組學(xué)主要是對(duì)所研究的生物系統(tǒng)的所有代謝產(chǎn)物進(jìn)行全面定量分析[8]。

1.2 代謝組學(xué)的發(fā)展

代謝組學(xué)是繼基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)之后發(fā)展起來(lái)的一門學(xué)科，是系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分。代謝組學(xué)主要是研究細(xì)胞、組織或生物液體中自然發(fā)生的低分子量(<1 000)有機(jī)代謝物(糖、有機(jī)酸、脂質(zhì)、維生素、氨基酸和芳香烴類化合物等)的科學(xué)。代謝組學(xué)研究主要分為靶向代謝組學(xué)和非靶向代謝組學(xué)。非靶向代謝組學(xué)是非目標(biāo)性地對(duì)所有可能發(fā)生改變的代謝物進(jìn)行檢測(cè)，篩選出目標(biāo)代謝物及相應(yīng)的代謝通路，而靶向代謝組學(xué)是有目標(biāo)地對(duì)特定通路中的代謝物進(jìn)行檢測(cè)分析。

代謝物的檢測(cè)有多種方法，可以選擇核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)、氣質(zhì)聯(lián)用(gas chromatography-mass spectra, GC-MS)和液質(zhì)聯(lián)用(liquid chromatography-mass spectra, LC-MS)等分析儀器，各個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。其中，NMR具有較高的分辨率，并且對(duì)樣品的損傷小，檢測(cè)時(shí)間短，但是靈敏度差；GC-MS有完整的數(shù)據(jù)庫(kù)支持，靈敏度要比NMR高，但是樣品前處理過(guò)程繁瑣；LC-MS具有較高的分辨率和靈敏度，但是不具備完整的數(shù)據(jù)庫(kù)，目前，可供參考的數(shù)據(jù)庫(kù)有Human Metabolome Database (HMDB)、Madison Metabolomics Consortium Database (MMCD)、Metlin、Lipidmaps和Mzcloud等。

代謝組學(xué)數(shù)據(jù)分析常用的方法為主成分分析法(principle component analysis, PCA)、偏最小二乘法-判別分析(partial least squares-discriminant analysis, PLS)和正交偏最小二乘法-判別分析(orthogonal partial least squares-discriminant analysis, OPLS)。根據(jù)模式識(shí)別結(jié)果篩選出顯著變化的代謝物，之后利用一些網(wǎng)絡(luò)工具及公共數(shù)據(jù)庫(kù)如MetaboAnalyst、HMDB和Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG)等進(jìn)行代謝物的信息解釋，利用P值和推測(cè)變異重要性值(variable importance in the projection, VIP)尋找受到顯著影響的代謝通路，進(jìn)一步通過(guò)代謝通路的變化對(duì)致毒機(jī)制進(jìn)行深入探究。

代謝組學(xué)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃(Metabolomics Standard Initiatives, MSI)于2005年啟動(dòng)，意在對(duì)代謝組學(xué)方法進(jìn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化。2007年，連續(xù)發(fā)表10篇關(guān)于代謝組學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化的相關(guān)文章[9-18]，特別是針對(duì)將代謝組學(xué)應(yīng)用于毒理學(xué)研究過(guò)程中的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制問(wèn)題展開研究[19]。經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織(Organization for Economic Co-operation and Development, OECD)在2018年開始著手起草代謝組學(xué)報(bào)告框架(Metabolomics Reporting Framework, MRF)，這一項(xiàng)目的實(shí)施也將為代謝組學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立打下基礎(chǔ)。

表1 代謝物檢測(cè)方法的總結(jié)Table 1 The summary of metabolite detection methods

1.3 代謝組學(xué)應(yīng)用范圍

不同于基因組學(xué)和蛋白組學(xué)，代謝組學(xué)的研究可以反映某一時(shí)刻下正在發(fā)生的生命活動(dòng)情況。研究代謝物的表達(dá)量、代謝物與生理病理變化的關(guān)系，能夠幫助尋找新的生物標(biāo)記物，發(fā)現(xiàn)新的代謝途徑。目前，代謝組學(xué)可以應(yīng)用于疾病的早期診斷[26-29]、環(huán)境監(jiān)測(cè)與毒性評(píng)價(jià)[30-32]、轉(zhuǎn)基因和育種[33-35]等多個(gè)方面。

代謝組學(xué)在毒理學(xué)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用主要分為以下3個(gè)方面：第一，作為毒理學(xué)研究工具發(fā)現(xiàn)化學(xué)品毒性作用通路和分子關(guān)鍵事件(key event, KE)，并根據(jù)KE對(duì)化學(xué)品進(jìn)行分類[36]；第二，在分子水平上提供細(xì)胞或者有機(jī)體表型的功能，與不良有害結(jié)局路徑(adverse outcome pathway, AOP)之間的聯(lián)系[37]；第三，通過(guò)分析暴露化學(xué)品及其代謝物的濃度來(lái)評(píng)價(jià)化學(xué)品的毒性效應(yīng)[38-39]。

2 代謝組學(xué)應(yīng)用于毒理學(xué)評(píng)價(jià)的優(yōu)勢(shì)(The advantages of metabolomics applying in toxicological assessment)

傳統(tǒng)評(píng)估化合物毒性的方法在很大程度上依賴于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，但是多種動(dòng)物模型的安全性試驗(yàn)結(jié)果用于人類是不可靠的[3]。同時(shí)，大量試驗(yàn)動(dòng)物的使用造成化學(xué)品毒性評(píng)價(jià)的成本過(guò)高。例如歐盟化學(xué)品的注冊(cè)、評(píng)估、授權(quán)和限制(registration, evaluation, authorization and restriction of chemicals, REACH)為了評(píng)價(jià)68 000種化學(xué)品的毒性，在未來(lái)10年間將花費(fèi)95億歐元和消耗5 400萬(wàn)脊椎動(dòng)物[2]。而基于代謝組學(xué)的毒理學(xué)評(píng)價(jià)方法可以從體外細(xì)胞水平或者組織水平來(lái)評(píng)價(jià)化學(xué)品的毒性風(fēng)險(xiǎn)，不僅大大減少了試驗(yàn)動(dòng)物的用量，降低了實(shí)驗(yàn)成本，而且增加了評(píng)估化學(xué)品對(duì)人類健康風(fēng)險(xiǎn)的準(zhǔn)確性。

傳統(tǒng)毒理學(xué)基于半數(shù)致死劑量(LD50/LC50)、臨床檢查(血液學(xué)檢查、血液生化檢查)和病理學(xué)觀察(系統(tǒng)解剖、臟器重量和組織學(xué)改變)對(duì)化學(xué)品毒性進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，這種表觀毒性評(píng)價(jià)方法不僅試驗(yàn)周期長(zhǎng)(幾天甚至幾年時(shí)間)，而且不能從本質(zhì)上揭示化學(xué)品對(duì)生命體的毒性作用機(jī)制。應(yīng)用代謝組學(xué)進(jìn)行毒性評(píng)價(jià)可以直接監(jiān)控生物對(duì)污染物最早期的反應(yīng)，在幾乎一出現(xiàn)毒性反應(yīng)時(shí)就能檢測(cè)出發(fā)生變化的全部代謝物表達(dá)情況及受干擾的代謝通路。因此，比起傳統(tǒng)的毒理學(xué)測(cè)試方法，利用新的毒理學(xué)方法評(píng)估化學(xué)品毒性可能會(huì)提供一個(gè)更早更靈敏的毒性反應(yīng)的生物標(biāo)記。

同時(shí)，利用代謝組學(xué)可以將一類化學(xué)品的毒性作用機(jī)制進(jìn)行總結(jié)與外推[40]，也可以將化學(xué)品對(duì)模式生物的毒性外推到非模式生物，比如通過(guò)對(duì)比小鼠和人類代謝系統(tǒng)的相似度，由此從化學(xué)品對(duì)小鼠的毒性外推到其對(duì)人類的風(fēng)險(xiǎn)[41]。

3 代謝組學(xué)在毒理學(xué)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用案例(Application of metabolomics in toxicological assessment)

3.1 生殖毒性的研究

對(duì)人類而言，化學(xué)品暴露的潛在生殖毒性是公眾、衛(wèi)生專業(yè)人員和環(huán)境學(xué)家都十分關(guān)心的問(wèn)題。考慮到繁殖的重要性，利用代謝組學(xué)對(duì)化學(xué)品的生殖毒性展開研究不僅可能有助于開發(fā)新的、更細(xì)微和更有洞察力的生物標(biāo)記，而且還可能為評(píng)價(jià)化學(xué)品生殖毒性開辟新的途徑。

根據(jù)OECD的測(cè)試方法來(lái)粗略計(jì)算大型溞的后代數(shù)量不能表現(xiàn)出化學(xué)品對(duì)生殖系統(tǒng)的毒性作用機(jī)制，所以Taylor等[42-43]利用NMR技術(shù)檢測(cè)了鎘、2,4-二硝基苯酚和心得安早期暴露后的差異代謝物，揭示了短期化學(xué)品暴露后大型溞體內(nèi)標(biāo)志代謝物可以預(yù)測(cè)化學(xué)品長(zhǎng)期暴露后的生殖毒性情況和潛在毒性作用機(jī)理。Yan等[44]通過(guò)性激素分析、性腺軸相關(guān)基因分析及代謝組分析(應(yīng)用NMR和LC-MS技術(shù))，對(duì)比了硫丹的2個(gè)對(duì)映體和其中1個(gè)代謝產(chǎn)物(暴露濃度為0.3 mg·kg-1bw·d-1和3 mg·kg-1bw·d-1)對(duì)成年小鼠睪丸的毒性差異，研究表明，14 d暴露后血清中性激素水平的變化和睪丸中內(nèi)源代謝物的變化呈現(xiàn)顯著相關(guān)性，預(yù)示著硫丹對(duì)小鼠性腺系統(tǒng)的干擾機(jī)制可以通過(guò)代謝組學(xué)手段進(jìn)行揭示。

4-溴聯(lián)苯醚(4-bromophenoxybenzene, BDE-3)是多溴聯(lián)苯醚在光照下的分解產(chǎn)物，對(duì)生殖功能具有一定的影響。Wei等[45]將不同濃度(0.0015、1.5、10和30 mg·kg-1bw·d-1)的BDE-3染毒小鼠42 d，通過(guò)精子數(shù)量和睪丸損傷情況發(fā)現(xiàn)BDE-3對(duì)小鼠的生殖系統(tǒng)的功能造成了干擾，進(jìn)一步通過(guò)超高效液相-四級(jí)桿飛行時(shí)間質(zhì)譜(UPLC-QTOF/MS)技術(shù)對(duì)睪丸內(nèi)代謝物及代謝通路進(jìn)行分析，通過(guò)結(jié)果可知，酪氨酸代謝、嘌呤代謝和核黃素代謝通路有望解釋BDE-3對(duì)小鼠生殖系統(tǒng)的干擾機(jī)制。

壬基酚是一種被證實(shí)的內(nèi)分泌干擾物，可以引起生殖和發(fā)育毒性。Di等[46]研究了壬基酚低濃度長(zhǎng)期暴露(500 μg·kg-1bw·d-1，暴露8周)下對(duì)雌性老鼠生殖系統(tǒng)的影響，壬基酚暴露不僅使血清中雌二醇(E2)水平顯著變化，子宮內(nèi)膜增生，卵子發(fā)生改變，并且尿液、血液、子宮和卵巢內(nèi)的代謝譜(采用超高液相-靜電場(chǎng)軌道阱質(zhì)譜(UPLC-Orbitrap-MS)方法)也隨之發(fā)生了顯著變化。其中，與能量代謝相關(guān)的12種代謝物，特別是9種肉毒堿，被認(rèn)為是壬基酚低濃度早期暴露下的敏感生物標(biāo)志物。

有機(jī)磷阻燃劑磷酸三(1,3-二氯異丙基)酯(tris(1,3-dichloro-2-propyl)phosphate, TDCIPP)可以對(duì)水生生物造成生殖毒性，Zhu等[47]利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)手段探究了TDCIPP對(duì)陸生生物蚯蚓的生殖毒性。蚯蚓暴露于不同濃度(50、500和5 000 ng·g-1)TDCIPP污染的土壤28 d，其類固醇合成通路被抑制，同時(shí)通路中膽固醇濃度顯著上調(diào)，表明TDCIPP暴露影響了蚯蚓的生殖系統(tǒng)。

去氫孕酮(dedrogesterone, DDG)暴露可以干擾硬骨魚類的性別組成，但是其毒性作用機(jī)制尚不清楚。Jiang等[48]將不同濃度(4.4、44和440 ng·L-1)的DDG染毒處于性別分化關(guān)鍵期的斑馬魚胚胎140 d，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高濃度暴露下98%斑馬魚為雄性。基于LC-MS和GC-MS平臺(tái)對(duì)斑馬魚胚胎的代謝譜進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，多不飽和脂肪酸、肌醇、?；撬?、棕櫚油酸、油酸、乳酸、反丁烯二酸和尿嘧啶的濃度增加，尿酸和膽汁酸的濃度降低。這些代謝物起到抑制斑馬魚性別分化通路的作用，其中，包括NF-κB、COX-2和Wnt/β-catenin通路，同時(shí)p53通路被激活。以上結(jié)果表明，DDG在環(huán)境濃度暴露下就可以干擾斑馬魚胚胎的代謝譜，最終對(duì)其性別分化造成影響。

17α-炔雌醇對(duì)生物體的生殖系統(tǒng)具有重要影響，Zhou等[49]通過(guò)生理性觀察和代謝組分析(采用GC-MS方法)研究了其對(duì)淡水魚生殖系統(tǒng)的作用機(jī)制，研究結(jié)果表明，環(huán)境濃度(17.1 μg·L-1)暴露下17α-炔雌醇沒(méi)有對(duì)淡水魚的生理上(體重、體長(zhǎng)、肝指數(shù)和性腺指數(shù))產(chǎn)生顯著影響，然而性腺中24種代謝物和腎臟中16種代謝物均出現(xiàn)了顯著性變化，這些代謝物主要調(diào)控著氨基酸代謝、脂質(zhì)代謝、能量代謝和氧化應(yīng)激通路，其中，脂質(zhì)代謝通路的變化影響了淡水魚體內(nèi)性激素穩(wěn)態(tài)。以上結(jié)果表明，利用代謝組學(xué)手段可以從環(huán)境濃度揭示化學(xué)品對(duì)生物體性腺系統(tǒng)的干擾機(jī)制。

3.2 肝臟毒性的研究

肝臟作為化學(xué)品暴露之后的主要靶向器官，化學(xué)品暴露對(duì)肝臟的毒性研究較為廣泛，然而環(huán)境濃度暴露下化學(xué)品對(duì)肝臟的損傷情況并不顯著，需要利用更加靈敏的技術(shù)來(lái)探究其潛在毒性風(fēng)險(xiǎn)。例如，Wang等[50]通過(guò)NMR非靶標(biāo)代謝物分析和LC-MS靶標(biāo)代謝物分析發(fā)現(xiàn)，苯霜靈(6 mg·kg-1bw·d-1和60 mg·kg-1bw·d-1)經(jīng)口染毒SD大鼠30 d后，大鼠在沒(méi)有出現(xiàn)明顯肝臟損傷的情況下，其代謝譜發(fā)生了顯著變化。以上結(jié)果表明，應(yīng)用代謝組學(xué)來(lái)評(píng)價(jià)化學(xué)品對(duì)生命體肝臟的毒性比傳統(tǒng)毒理學(xué)手段更加靈敏可靠。

有研究指出，短鏈氯化石蠟暴露后，其可以與大鼠肝臟中的過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體α(PPARα)結(jié)合，干擾PPARα的信號(hào)通路，PPARα主要調(diào)控脂肪酸的代謝過(guò)程，通過(guò)分析脂肪酸的含量(采用液相-四級(jí)桿飛行時(shí)間質(zhì)譜(LC-QTOF-MS)方法)發(fā)現(xiàn)，短鏈氯化石蠟暴露(1、10和100 mg·kg-1bw·d-1)28 d使大鼠肝臟中脂肪酸總量顯著降低，脂肪酸過(guò)氧化加劇，這一研究揭示了短鏈氯化石蠟對(duì)大鼠肝臟的毒性作用靶點(diǎn)[51]。

有研究發(fā)現(xiàn)，在大西洋鱈魚進(jìn)食含有痕量甲基毒死蜱農(nóng)藥的食物之后，鱈魚肝臟中可以富集高濃度的甲基毒死蜱，使血漿中膽堿酯酶活性發(fā)生顯著變化，肝臟中膽固醇和激素合成通路受到顯著影響，同時(shí)能量代謝通路，包括碳水化合物代謝、三羧酸循環(huán)和運(yùn)輸、碳水化合物代謝、丙酮酸代謝和運(yùn)輸途徑中的代謝物均發(fā)生顯著變化，揭示了環(huán)境濃度下甲基毒死蜱的肝臟毒性作用機(jī)制[52]。

Dong等[53]通過(guò)肝臟組織病理學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)，低濃度三氯生(0.05 mg·kg-1bw·d-1)的暴露使小鼠肝臟中的脂肪含量顯著增加，進(jìn)一步通過(guò)代謝物分析可知，脂肪酸、磷脂和神經(jīng)酰胺化合物的含量也隨之顯著上調(diào)，揭示了三氯生對(duì)小鼠肝臟的毒性。Geng等[54]利用轉(zhuǎn)錄組和代謝組聯(lián)合分析的手段，研究了三氯生對(duì)小鼠的肝臟毒性，揭示了三氯生對(duì)肝臟的主要作用機(jī)制為抑制能量代謝通路和激活PPARα通路。Zhang等[55]進(jìn)一步研究了三氯生對(duì)人類肝臟細(xì)胞的毒性作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)三氯生暴露主要干擾了肝臟細(xì)胞的能量代謝通路、抗氧化系統(tǒng)和二相代謝排毒系統(tǒng)。以上研究結(jié)果證明了代謝組學(xué)手段分析肝臟毒性的準(zhǔn)確性和靈敏性。

3.3 腎臟毒性

腎臟毒性常由多種治療藥物和環(huán)境污染物暴露引起，但是導(dǎo)致腎臟毒性的復(fù)雜分子和病理生理機(jī)制仍然不清楚，主要是由于腎臟損傷的生物標(biāo)志物在敏感性和特異性方面存在不足[56]。近年來(lái)，利用代謝組學(xué)對(duì)化學(xué)品的腎臟毒性進(jìn)行研究的報(bào)道越來(lái)越多。

在已知煙酸受體-SCH900424可以引起小鼠腎臟損傷的情況下，Zgoda等[57]通過(guò)GC-MS、LC-MS分析內(nèi)源代謝物含量的變化發(fā)現(xiàn)，血清和腦中的3-硫酸吲哚是較為靈敏的生物標(biāo)記物，它可以指示SCH900424引起的腎臟毒性情況。Ranninger等[58]利用人類腎臟近管上皮細(xì)胞RPTEC/TERT1進(jìn)行暴露實(shí)驗(yàn)，通過(guò)LC-MS分析非靶標(biāo)代謝物的變化情況，來(lái)探究異環(huán)磷酰胺代謝物——氯乙醛的腎臟毒性。研究結(jié)果表明，氯乙醛高濃度暴露(35 μmol·L-1)下主要干擾了腎臟細(xì)胞中谷胱甘肽和氧化應(yīng)激相關(guān)的代謝物，進(jìn)一步通過(guò)轉(zhuǎn)錄組和蛋白組驗(yàn)證了代謝組學(xué)技術(shù)的可靠性。1,4-二氧己烷在環(huán)境和生物樣品中被廣泛檢測(cè)到，具有潛在的腎臟毒性。Qiu等[59]結(jié)合腎臟轉(zhuǎn)錄組和尿液代謝組分析揭示了1,4-二氧己烷對(duì)大鼠腎臟的毒性作用機(jī)理。研究表明，低濃度(0.5 mg·L-1)暴露對(duì)腎臟中的信號(hào)通路產(chǎn)生顯著影響，基于NMR的代謝物分析顯示早期暴露主要影響了甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸的代謝通路而長(zhǎng)期暴露使?；撬釢舛蕊@著減少。

3.4 神經(jīng)毒性的研究

通?；瘜W(xué)品的神經(jīng)毒性一般通過(guò)受試生物的運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)功能、反應(yīng)靈敏度、聯(lián)想學(xué)習(xí)能力、記憶和認(rèn)知能力等參數(shù)來(lái)表征[60]，但是其在分子層面上的毒性作用機(jī)理還處于空白階段。大腦中央神經(jīng)系統(tǒng)中的神經(jīng)遞質(zhì)及其代謝物對(duì)化學(xué)品的神經(jīng)毒性作用十分敏感[61]，所以，研究化學(xué)品暴露后對(duì)神經(jīng)遞質(zhì)及其代謝物的影響將有望揭示其神經(jīng)毒性作用通路和致毒機(jī)理。

丙烯酰胺具有神經(jīng)毒性，但是其對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的干擾機(jī)制尚不清楚。Faria等[62]研究了0.75 mmol·L-1丙烯酰胺暴露3 d后對(duì)斑馬魚神經(jīng)系統(tǒng)的作用機(jī)制，在行為水平上，丙烯酰胺暴露后斑馬魚表現(xiàn)出抑郁型與焦慮型并存的行為狀態(tài)；在轉(zhuǎn)錄水平上，丙烯酰胺誘導(dǎo)相關(guān)再生基因的下調(diào)，少突膠質(zhì)細(xì)胞和反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞標(biāo)記物上調(diào)，也改變了參與突觸前囊泡周期基因的表達(dá)；在代謝水平上，基于液相-三重四級(jí)桿質(zhì)譜(LC-MS-MS)平臺(tái)檢測(cè)了斑馬魚腦中38種神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)的變化情況，其中，多巴胺前體苯丙氨酸和血清素代謝物5-HIAA的變化與焦慮癥的行為相一致，說(shuō)明丙烯酰胺通過(guò)干擾斑馬魚腦中的單胺類神經(jīng)遞質(zhì)對(duì)其造成了神經(jīng)毒性。

短裸甲藻毒素(PbTxs)具有神經(jīng)毒性，Yau等[63]用丹氯衍生法在LC-MS-MS上測(cè)定了青鳉魚43種中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)遞質(zhì)和代謝物的變化情況，來(lái)揭示PbTxs對(duì)青鳉魚神經(jīng)系統(tǒng)的干擾機(jī)制。研究表明，與電壓鈉離子通路相關(guān)的神經(jīng)遞質(zhì)和代謝物、N-甲基-D-天冬氨酸受體、膽堿能神經(jīng)遞質(zhì)與PbTxs的暴露顯著相關(guān)。

苯并芘作為一種常見的環(huán)境污染物被認(rèn)為對(duì)哺乳類動(dòng)物具有的神經(jīng)毒性，Wang等[64]將2 mg·kg-1bw·d-1苯并芘染毒SD大鼠7周，通過(guò)表觀遺傳學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)，苯并芘可以影響大鼠的學(xué)習(xí)和記憶能力，利用GC-MS分析大腦海馬體代謝物變化情況，發(fā)現(xiàn)苯并芘主要干擾了酪氨酸代謝通路，為深入研究苯并芘對(duì)大鼠神經(jīng)毒性的作用機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

Zeng等[65]利用毛細(xì)管電泳-飛行時(shí)間質(zhì)譜(CE-TOF/MS)研究了不同濃度(0、1、10和100 mg·kg-1bw)雙酚A(BPA)對(duì)SD大鼠尿液代謝物的干擾，42種內(nèi)源代謝物發(fā)生了變化，其中，神經(jīng)遞質(zhì)(谷氨酸、γ-氨基丁酸和去腎上腺素)以及神經(jīng)傳遞相關(guān)的代謝物(酪氨酸、組胺、結(jié)氨酸和牛磺酸)在BPA低劑量暴露(<50 mg·kg-1)時(shí)發(fā)生顯著改變，表明環(huán)境濃度下BPA具有神經(jīng)毒性作用。

4 代謝組學(xué)用于評(píng)價(jià)化學(xué)品毒性的前景展望(The prospect of metabolomics in chemical risk assessment)

雖然，很多學(xué)者堅(jiān)信代謝組學(xué)技術(shù)在化學(xué)品風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的有利地位，代謝組學(xué)技術(shù)仍然存在著一些挑戰(zhàn)。利用代謝組學(xué)評(píng)價(jià)化學(xué)品毒性，目前面臨的主要問(wèn)題有以下幾點(diǎn)：

(1)從復(fù)雜的代謝譜中識(shí)別出哪些是對(duì)生命體的健康有害的生物標(biāo)記物，哪些代謝物的波動(dòng)只是對(duì)穩(wěn)態(tài)的短暫適應(yīng)或變異[66]。

(2)雖然越來(lái)越多的數(shù)據(jù)表明，代謝組學(xué)將從根本上提高我們從個(gè)體水平對(duì)不良結(jié)果進(jìn)行的分子預(yù)測(cè)[67]，但是目前很難將個(gè)體水平的結(jié)果外推到種群或者整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。主要原因是模式生態(tài)系統(tǒng)尚未建立，所以如果能夠推進(jìn)模式生態(tài)系統(tǒng)的建立則將有機(jī)會(huì)通過(guò)組學(xué)技術(shù)來(lái)評(píng)價(jià)化學(xué)品對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的干擾機(jī)制。

(3)代謝組學(xué)在毒理學(xué)評(píng)價(jià)與管理中應(yīng)用較少，這與較少的案例分析，培訓(xùn)機(jī)會(huì)缺失以及分析和計(jì)算工具有限有關(guān)，然而最重要的原因還是缺少標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)方法，包括代謝組數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)驗(yàn)方法的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，檢測(cè)終點(diǎn)的量化和報(bào)告格式等方面，都需要進(jìn)一步的發(fā)展。