肠道-肝脏和肠道-肾脏轴之间的相互作用在介导由食源性和水源性稀土元素引起的器官特异性毒性中的作用至关重要

《Environmental Pollution》：Critical Role of Crosstalk through the Gut-Liver and Gut-Kidney Axes in Mediating Organ-Specific Toxicity Induced by Foodborne and Waterborne Rare Earth Elements

稀土元素通过食物链和水路暴露对小鼠肝肾代谢及肠道菌群的影响研究

　　本研究聚焦于稀土元素（REEs）在农业土壤和河流中的污染问题，尤其是在高强度采矿活动背景下，REEs对人类健康可能带来的潜在风险。通过系统地比较食物摄入与水摄入方式下REEs在小鼠体内的器官特异性毒理效应，我们深入探讨了REEs通过肠道-肝脏和肠道-肾脏轴的交互作用所引发的毒性机制。研究发现，无论是通过食物还是水摄入，REEs在小鼠的肝脏和肾脏组织中均表现出较高的浓度，同时在粪便中也检测到其积累，这种积累程度与暴露水平和持续时间密切相关。这表明，尽管体内存在一定的排泄机制，REEs仍能在小鼠体内积累，从而对健康产生潜在影响。

从组织病理学分析和免疫荧光染色的结果来看，肝脏和肾脏的组织损伤与炎症反应及氧化应激密切相关，这种损伤在REEs暴露后变得更加明显。此外，代谢物谱的变化进一步支持了这一观点。研究发现，无论是通过食物还是水摄入，REEs均会干扰肝脏中与氨基酸和花生四烯酸相关的代谢过程，从而引发炎症和氧化应激。然而，通过水摄入的REEs则更倾向于影响肾脏中的色氨酸和核黄素代谢，这些代谢过程与氧化应激密切相关。值得注意的是，这两种途径都会干扰目标器官中的尿素循环，进而影响氮代谢。这一发现表明，REEs在不同暴露方式下对代谢过程的干扰具有一定的特异性。

此外，研究还发现，REEs的暴露会显著改变肠道菌群的组成，具体表现为肠道中厚壁菌门与拟杆菌门的比例升高。通过相关网络分析，我们发现肠道-肾脏轴在REEs暴露下表现出显著的交互作用（p<0.01），这突显了肠道微生物在介导REEs毒性中的关键作用。相比之下，肠道-肝脏轴的交互作用则相对较弱。这一结果提示，在REEs暴露的背景下，肠道微生物与多个器官之间的代谢交互可能在不同暴露模式下表现出差异，而这种差异可能对宿主健康产生深远影响。

在实验设计方面，我们选择了与REEs污染区域中人口主要接触方式相一致的暴露路径，即通过土壤颗粒存在于食物或水中进行口服摄入。这一途径是REEs污染区域中居民暴露于REEs的主要方式之一。为了更好地模拟这一暴露场景，我们收集了来自江西省赣州市定南县离子吸附REE矿区周边农业土壤和河流的污染土壤样本，以及污染水样本。土壤样本经过风干和筛分处理，以确保其粒径小于250微米，从而更贴近可能被意外摄入的土壤颗粒大小。污染水样本则用于后续实验，以研究其对小鼠的影响。为了准备实验用的REE污染食物，我们根据污染土壤的REE浓度，将REE添加到基础饲料中，以确保其在食物中的浓度能够反映实际污染水平。

通过为期21天和42天的实验，我们观察到小鼠肝脏和肾脏中REE的浓度呈现出显著的积累趋势。具体而言，21天暴露后，肝脏中REE的浓度为0.747 μg·g?1，肾脏中为1.09 μg·g?1；而42天暴露后，肝脏中REE的浓度为0.449 μg·g?1，肾脏中为0.497 μg·g?1。这些数据表明，REE的积累程度与暴露时间呈正相关，且在不同暴露时间下，其在器官中的分布也有所变化。值得注意的是，基础饲料中REE的浓度为0.0736 mg·kg?1，这可能是导致小鼠在未摄入污染食物和水的情况下，仍能在器官中积累REE的原因之一。这表明，即使在较低浓度的REE暴露下，其对健康的影响也可能不可忽视。

在肠道菌群的分析中，我们发现REE的暴露会显著改变肠道菌群的结构和功能。具体而言，REE污染会导致肠道中厚壁菌门的比例增加，而拟杆菌门的比例则相对减少。这种变化在食物摄入和水摄入的两种暴露方式下均有所体现，但其程度和具体表现可能有所不同。此外，肠道菌群的改变可能会通过代谢物的交互作用，影响肝脏和肾脏等其他器官的功能。例如，肠道菌群中的某些代谢产物可能与肝脏中的氨基酸代谢过程相关，而另一些代谢产物可能与肾脏中的色氨酸和核黄素代谢过程相关。这种代谢物的交互作用可能进一步加剧器官的损伤，从而对健康产生潜在威胁。

为了更全面地理解REEs的毒性机制，我们不仅关注其在器官中的积累情况，还深入探讨了其对肠道菌群的影响。通过分析肠道菌群的变化，我们发现REEs的暴露会显著改变肠道菌群的组成，这种改变可能与REEs的毒性作用密切相关。此外，我们还研究了肠道菌群与器官代谢之间的相互作用，特别是在肠道-肝脏轴和肠道-肾脏轴上的表现。通过相关网络分析，我们发现肠道-肾脏轴在REEs暴露下表现出显著的交互作用，这表明肠道微生物可能在介导REEs毒性中发挥重要作用。相比之下，肠道-肝脏轴的交互作用则相对较弱，这可能与肝脏和肾脏在代谢过程中的不同特性有关。

综上所述，本研究通过系统的实验设计和多方面的分析，揭示了REEs在不同暴露路径下对小鼠的毒性作用机制。我们发现，REEs不仅会在肝脏和肾脏中积累，还会通过影响肠道菌群，进一步影响其他器官的功能。这种肠道-器官轴的交互作用可能在不同暴露方式下表现出差异，而这种差异可能对宿主健康产生深远影响。因此，本研究不仅为理解REEs的毒性机制提供了新的视角，也为评估其对人类健康的潜在风险提供了科学依据。同时，研究还强调了肠道微生物在介导REEs毒性中的关键作用，这为未来的环境健康研究提供了新的思路。