昼夜节律变量对生态毒理代谢组学可重复性与报告规范影响的系统定量综述

《Biological Reviews》：The influence of circadian variables on ecotoxicology metabolomics

　　

生态毒理研究人员正日益使用代谢组学（metabolomics）以洞察化学暴露的毒理机制与亚致死效应。代谢组学提供一种敏感的多参数方法，可检测顶端与行为终点不明显的生化响应，包括极低剂量毒物暴露、实验介质理化状态变化乃至昼夜节律（circadian rhythms）进程所引起的响应。因此，代谢组学实验的可重复性与可比性依赖于对这些特征的操控与报告。在本系统定量文献综述（systematic quantitative literature review, SQLR）中，研究人员检视近期生态毒理研究，以判定昼夜时序及其他可影响昼夜节律及其关联代谢组（metabolome）的变量的报告率与质量。研究人员发现大多数昼夜变量均被低报，并呼吁进一步研究这些变量操控对代谢组的影响。

研究背景方面，代谢组学（metabolomics，对生物基质中低分子量有机分子浓度变化进行表征的学科）因仪器与分析成本下降而普及，使生态毒理学（ecotoxicology）从传统顶端终点（apical endpoints，如生长、发育、行为、繁殖、死亡）走向更细的生化机制解析。但代谢组学高度敏感，也会把溶剂、温度、光照、光周期（photoperiod）、机械噪声、水质、食物等混杂变量（confounding variables）的微小变化放大为代谢扰动。分子生物钟（molecular circadian clock）是负反馈转录—翻译环路，可驱动睡眠—觉醒、糖代谢、脂肪酸氧化、核苷酸代谢等昼夜波动；因此采样时刻相对生物钟时间不同，代谢状态就不同。虽已有代谢组学标准倡议（Metabolomics Standards Initiative, MSI）与OECD报告框架，但2007年以来依从性仍差，且尚无综述系统量化生态毒理代谢组学对昼夜相关变量的报告情况。该研究发表于《Biological Reviews》，正是为填补该空白。

主要技术方法上，研究人员于2024年11月14日用Scopus与Web of Science检索2015—2024年动物生态毒理代谢组学文献，以“environment* OR toxico* OR ecotox* AND metabolom*”加动物限定词筛查；按是否讨论动物、是否为受控实验室研究、是否含代谢组学组件制定纳入标准，卵与田野研究排除，鱼胚保留；用Microsoft Excel 365建库记录光、温、pH、溶氧、盐度、摄食、采样时刻等参数，适用未报记Not reported、不适用记NA；文献计量采用复合年增长率（compound annual growth rate, CAGR）、相对CAGR与总体增长趋势（general growth tendency, GGT）公式，用R 4.5.1与tidyverse做频次、百分比与图形分析。

研究结果部分，I. INTRODUCTION阐明代谢组学敏感性与昼夜/环境混杂变量未被充分表征。II. METHODS如上述检索、纳入、文献计量与数据分析流程。III. RESULTS AND DISCUSSION中，(1) Articles：Scopus 353篇、Web of Science 166篇，去重后471篇，按标准留258篇。(2) Bibliometrics：动物生态毒理含代谢组学文献CAGR为19.6%，高于总体3.8%；GGT在2017—2018为负、2022—2023达50.8%，说明代谢组学占比总体上升。(3) The vertebrate circadian clock：脊椎动物松果体为主钟（master clock, MCC），光经非成像光敏视网膜神经节细胞（intrinsically photosensitive retinal ganglion cells, iPRGCs）或直达松果体，抑制褪黑素（melatonin），昼行兽类促肾上腺皮质激素（adrenocorticotropic hormone, ACTH）与皮质酮（corticosterone）白天升高；CLOCK-BMAL1复合物结合E-box启动子，调控Cryptochrome（CRY）、Period（PER）、Rev-erb、Ror，使核苷酸合成在睡眠期、糖异生/糖代谢在觉醒期发生。(4) Light：仅1.2%报灯品牌、3.4%报照度（illuminance）、无研究报光谱；光周期（photoperiod）报了63.3%，多为12:12，>12小时光照占33.5%、<12小时仅3.6%，研究偏夏型表型。（5）Physico-chemical parameters：a温度84.2%报告但多为静态；b pH海洋54.2%、淡水39.2%、土壤34.5%报告；c溶氧淡水24.2%、海洋31.9%、陆地1.6%报告，低氧稳定缺氧诱导因子（hypoxia inducible factors, HIFs），HIF与生物钟AhR/BMAL1通路重叠；d盐度海洋65.3%报、淡水13.3%报，电导（conductivity）淡水12.5%、海洋0%，渗透压调节耗能改变代谢；e介质质量若不全面报告会损及可重复性与结果外推。（6）Time：无研究说明累计采样时长，也无研究同时报告开灯—投喂—采样关系，建议用Zeitgeber时间（自开灯起算的小时数）报告。（7）Food：食物是仅次于光的强Zeitgeber（时间给体），仅45.9%饲料可复现，33.2%完全不报；肝钟受限时机喂养调控糖酵解、糖异生、核苷酸合成与sirtuins。（8）Anthropogenic：人工夜光（artificial light at night, ALAN）、气候变更使光温错位，可能解同步化年节律。（9）Replication：54.8%研究真生物重复（biological replicates）<5，31.7%仅3个，假重复（pseudoreplication）常见。（10）Organism selection：45.3%用模式生物，斑马鱼（Danio rerio）20.1%、蚯蚓Eisenia fetida 8.6%；淡水47.1%、海洋29.1%、陆地23.7%。

讨论部分指出，现有证据多来自人/鼠，非哺乳动物光照、饲程、禁食、静态温/氧是否钝化昼夜振幅仍缺验证；MSI虽列参数但依从差，应增补光质、光谱功率分布（spectral power distribution）、照度、灯距、开/关灯与投喂相对采样时刻的报告。结论部分译为：（1）介质质量、饲粮、光照与采样时刻均可影响代谢组结果；SQLR发现这些条件在生态毒理代谢组学文中少报或含糊，自既往综述后MSI合规无改善，过半研究真生物重复低于MSI建议的5个，对高维组学统计效力仍不足。（2）传统终点方法尚可，但实验条件报告乏力、真重复低、代谢组学高敏感三者叠加，限制可重复与可比性；跨领域证据表明这些实验品质对生态毒理代谢组学至关重要。（3）研究人员在应用敏感组学时应审慎操控实验变量，并望后续研究确认这些变量的重要性。