利用MALDI-MSI可视化并解析HPPD抑制剂在大鼠组织中的毒性效应及碘离子异常积累机制

本期推荐一项创新性毒理学研究：为探究4-羟苯基丙酮酸双加氧酶抑制剂（HPPDi）引发的酪氨酸代谢紊乱与组织毒性，研究人员通过质谱成像（MALDI-MSI）、代谢组学与激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）技术，揭示了大鼠胰腺、甲状腺及眼中酪氨酸的显著积累与空间分布异质性，并首次发现HPPDi诱导甲状腺中碘离子（I?）异常蓄积的现象，为毒性机制研究与安全评价提供了新视角。

　　

在农业与医学领域，4-羟苯基丙酮酸双加氧酶抑制剂（HPPDi）是一类具有双重用途的化合物：既作为高效除草剂，也用于治疗遗传性酪氨酸代谢疾病如酪氨酸血症Ⅰ型与尿黑酸症。然而，HPPDi通过抑制酪氨酸分解通路中的关键酶HPPD，导致酪氨酸在血液与组织中积累，引发多种毒性效应。大鼠因其酪氨酸氨基转移酶（TAT）活性较低，成为对HPPDi毒性最敏感的物种，常表现为角膜混浊、胰腺与甲状腺形态改变等病变。尽管传统研究已通过组织病理学与血浆代谢组学揭示了部分毒性表型，但酪氨酸在组织中的空间分布特征及其与毒性效应的直接关联仍不明确，限制了对其机制的深入理解。

为解决这一问题，研究团队在《Archives of Toxicology》发表了一项综合性研究，利用多种先进质谱技术探究HPPDi（BCS-CR75391）在大鼠多器官中的代谢影响与空间分布特征。

本研究主要采用以下技术方法：使用超高效液相色谱-质谱（UHPLC-MS）定量组织与血液中酪氨酸水平；通过气相色谱-质谱（GC-MS）进行非靶向代谢组学分析；采用基质辅助激光解吸电离质谱成像（MALDI-MSI）技术对甲状腺等组织中的酪氨酸与碘离子进行空间分布可视化；结合激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）高分辨率验证碘元素分布。实验使用Wistar大鼠，分为1 ppm、2 ppm与10 ppm HPPDi处理组、5%酪氨酸高饲料组及对照组，处理周期为14天与28天。

HPPDi处理显著增加大鼠器官内酪氨酸积累

通过UHPLC-MS定量分析发现，HPPDi处理14天后，所有检测器官（胰腺、眼、甲状腺、肝脏与肾脏）中酪氨酸水平均显著升高，其中胰腺积累程度最高，其次为眼与甲状腺。值得注意的是，1 ppm与10 ppm剂量组之间酪氨酸水平无显著差异，提示低剂量已接近效应饱和。血液酪氨酸浓度在给药7天后达到稳态平台，与组织积累趋势一致。

GC-MS代谢谱分析揭示HPPDi引发的代谢适应现象

非靶向代谢组学分析显示，除酪氨酸外，苯丙氨酸、天冬氨酸、尿素及三羧酸循环（TCA cycle）中间体在治疗组中含量降低。主成分分析（PCA）表明，14天处理组中肾脏与眼的代谢谱能明显区分不同剂量效应，而肝脏与胰腺在1 ppm与10 ppm组间无显著分离，但均与对照组分离。28天后，肝脏与胰腺代谢谱趋于接近对照组，提示代谢适应性调整，而眼与肾脏仍保持显著差异，说明这些器官对HPPDi毒性更敏感。

MALDI-MSI揭示甲状腺内酪氨酸空间分布异质性

通过MALDI质谱成像技术，研究团队直观观察到甲状腺组织中酪氨酸（m/z 180.067）的分布情况：14天处理组中酪氨酸均匀积累，而28天2 ppm处理组中呈现局部富集特征，且信号强度显著高于对照组与酪氨酸高饲料组。结合组织学分析发现，酪氨酸主要积累于甲状腺滤泡上皮细胞而非胶质内，与形态学病变区域具有空间相关性。

HPPDi诱导甲状腺中碘离子异常积累

研究中最引人瞩目的发现是甲状腺中碘离子（I?，m/z 126.90）的显著积累。MALDI-MSI与LA-ICP-MS均证实，HPPDi处理组甲状腺滤泡胶质区内碘信号强度比对照组提高约40%，且分布呈现不均匀“热点”。高酪氨酸饲料组也观察到类似现象，但积累程度与分布模式不如HPPDi组显著。由于质谱技术无法区分游离碘与结合态碘，作者推测碘可能来自甲状腺球蛋白的降解或碘捕获机制紊乱。

讨论与结论

本研究系统阐明了HPPDi在大鼠多器官中的代谢效应与空间分布特征，首次报道了酪氨酸积累与碘离子异常蓄积的关联性。结果提示，甲状腺中碘的积累可能与酪氨酸代谢紊乱直接相关，但其毒理学意义需进一步探究——过量碘已知具有内分泌干扰潜力，可能加剧甲状腺病变。从方法论角度，该研究展示了MALDI-MSI技术在毒理学研究中的独特价值：能够在保留组织空间结构的条件下同时分析多种分子，有效衔接组织病理学与分子定量分析，为机制研究提供新的维度。

此外，代谢适应性现象（肝脏与胰腺在长期暴露后代谢谱恢复正常）提示某些器官可能通过代谢重编程抵抗毒性效应，而眼与肾脏的持续敏感性则警示HPPDi在这些器官中的长期风险。这些发现不仅深化了对HPPDi毒理机制的理解，也为后续安全性评价与物种外推提供了重要依据，同时符合动物实验的“3R原则”（替代、减少、优化），支持在低剂量与短周期实验中早期识别毒性效应。