肠道微生物通过硫胺素衍生代谢物缓解纳米银生殖毒性的机制研究

本研究针对纳米银(AgNPs)不可避免的环境暴露及其生殖毒性问题，通过构建无菌线虫模型，发现假单胞菌(P. mendocina)能显著缓解AgNPs导致的生殖功能障碍。研究首次揭示4-甲基-5-噻唑乙醇(MTE)和硫胺素单磷酸(ThMP)两种硫胺素衍生代谢物通过调控PMK-1/p38 MAPK和HIF-1通路发挥保护作用，为纳米材料毒性防控提供了新型微生物干预策略。论文发表于《Nature Communications》。

　　

随着纳米银(AgNPs)在生物医药、电子工业等领域的广泛应用，其年产量预计将从2017年的500公吨增至2025年的800公吨。尽管工程防护措施不断改进，环境中的AgNPs暴露仍不可避免，其通过诱导氧化应激、DNA损伤等机制产生生殖毒性，成为亟待解决的公共卫生问题。尤其值得注意的是，AgNPs会干扰肠道微生物组(Gut Microbiota, GM)的平衡，而后者在宿主代谢和免疫调节中扮演关键角色，这种双重效应使得AgNPs毒性机制更加复杂。

针对这一科学难题，香港城市大学的研究团队以经典模式生物秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)为模型，创新性地构建了无菌(germ-free, GF)和特定菌株定植的对比体系。研究发现，在17.6 μg/m² AgNPs暴露下，无菌线虫的生殖能力下降最为显著，而假单胞菌(Pseudomonas mendocina)定植能有效逆转这种生殖损伤。通过整合转录组学、代谢组学和基因功能验证等多维度技术，研究首次阐明肠道微生物通过硫胺素代谢通路调控宿主毒性的分子机制。相关成果发表在《Nature Communications》上。

研究主要采用四种关键技术：1) 无菌线虫模型构建与细菌定植技术，通过NaOH/NaClO裂解获得无菌虫卵；2) 多组学联用分析，包括RNA测序鉴定2447个差异表达基因(DEGs)，HPLC-MS/MS检测246种细菌代谢物；3) 线粒体膜电位检测，使用四甲基罗丹明乙酯(TMRE)荧光标记；4) 关键基因功能验证，通过qPCR分析bli-3、pmk-1等8个AOP(Adverse Outcome Pathway)通路基因。

细菌定植缓解生殖毒性

比较无菌与四种细菌定植线虫发现，P. mendocina使AgNPs暴露线虫的产卵量恢复最显著。通过DAPI染色观察到，该菌能增加有丝分裂区(mitotic zone)和双线期(diakinesis)的生殖细胞数量，表明其保护作用始于生殖细胞发育早期。

分子机制解析

转录组分析显示AgNPs激活NADPH氧化酶bli-3介导的ROS生成（分子起始事件），并通过三条通路导致生殖衰竭：1) ROS诱导线粒体膜电位下降（TMRE荧光强度降低63%）；2) 激活PMK-1/p38 MAPK和HIF-1转录因子；3) 引起ndx-4等DNA修复基因上调。P. mendocina能同时抑制这三条通路的关键基因表达。

关键代谢物鉴定

代谢组学筛选出6种与生殖恢复正相关的细菌代谢物，其中MTE和ThMP效果最显著。17.6 μg/m² ThMP使产卵量提升2.1倍，且能特异性下调hif-1表达（降幅达78%）。通路分析显示这两种硫胺素衍生物主要影响苯丙氨酸、组氨酸等氨基酸代谢通路。

讨论与展望

该研究突破性地揭示了肠道菌群-代谢物-宿主互作在纳米毒理学中的调控作用：1) 发现P. mendocina通过独特的硫胺素代谢途径产生MTE和ThMP，不同于传统认知中只有硫胺素焦磷酸(ThDP)具有生物活性；2) 证明微生物代谢干预可同时靶向ROS生成（分子起始事件）和下游PMK-1、HIF-1激活（关键事件）；3) 为环境污染物毒性防控提供了"微生物-代谢物"联合干预新策略。研究团队进一步在野生型线虫中验证了该方案的普适性，为后续转化应用奠定基础。未来研究可探索MTE/ThMP在哺乳动物模型中的保护效果，以及通过工程菌株优化代谢物产量等方向。