《Chemico-Biological Interactions》：Cylindrospermopsin-induced metabolic reprogramming mapped in rat tissues by MALDI Imaging
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安东尼奥·卡萨斯-罗德里格斯（Antonio Casas-Rodríguez）|克里斯蒂娜·玛丽亚·洛佩兹（Cristina María López）|安赫拉·佩拉尔博-莫利纳（Angela Peralbo-Molina）|纳胡姆·阿亚拉（Nahúm Ayala）|安娜·M·卡梅
安东尼奥·卡萨斯-罗德里格斯（Antonio Casas-Rodríguez）|克里斯蒂娜·玛丽亚·洛佩兹（Cristina María López）|安赫拉·佩拉尔博-莫利纳（Angela Peralbo-Molina）|纳胡姆·阿亚拉（Nahúm Ayala）|安娜·M·卡梅安（Ana M. Cameán）|安赫莱斯·霍斯（Angéles Jos）|爱德华多·奇卡诺-加尔韦斯（Eduardo Chicano-Gálvez）|雷梅迪奥斯·古兹曼-吉伦（Remedios Guzmán-Guillén）
西班牙塞维利亚大学药学院毒理学系
摘要
圆柱孢菌素（Cylindrospermopsin，简称CYN）是一种蓝藻毒素，具有肝毒性和肾毒性；然而，其在哺乳动物组织中的空间分布和分子效应仍不清楚。本研究采用基质辅助激光解吸/电离质谱成像（MALDI-MSI）技术，评估了大鼠口服摄入500 μg CYN/kg体重后，其胃、肝和肾脏中的脂质变化情况。这些大鼠在0、2、4、6和24小时时被处死。在优化条件下对冷冻切片进行分析，随后进行分子注释和脂质组学分析。空间分辨的离子图像显示了不同的脂质和代谢物分布以及组织特异性的代谢反应。在早期暴露期间，CYN及其加合物在胃中的短暂存在与溶血磷脂酰胆碱和磷脂酰胆碱类物质的增加相吻合，这表明发生了膜重塑。肝脏表现出明显的脂质重塑，表现为磷脂酰甘油和多不饱和磷脂酰胆碱的增加，以及磷脂酰乙醇胺和硫酸脂的减少，这与潜在的线粒体功能障碍和炎症反应一致。在肾脏中，超高性能液相色谱-串联质谱检测到CYN的存在，其空间积累模式表明外源性物质的转运和代谢过程发生了改变。这些发现表明CYN可能引起器官特异性的脂质组学变化，并突显了MALDI-MSI技术在原位研究毒素生物分布和代谢效应方面的实用性。这些研究为CYN引起的早期脂质组学变化提供了新的多器官空间视角，并有助于识别潜在的早期分子生物标志物。
引言
圆柱孢菌素（CYN）是一种蓝藻毒素，由于富营养化和气候变化在淡水系统中的日益普遍而受到全球关注[1]、[2]。它主要由Raphidiopsis和Aphanizomenon属的蓝藻产生，其存在已在世界各地的水生生态系统中得到报道[3]、[4]。该毒素具有两性离子结构，其中三环胍基团与羟甲基尿嘧啶相连，这使得它具有高水溶性和显著的化学稳定性，从而能够在水生环境中持续存在并通过饮用水和食物链进行生物累积[5]、[6]、[7]。
CYN在体外和体内模型中表现出多种毒性作用。它通过靶向真核细胞的翻译机制抑制蛋白质合成，这一效应已在肝细胞、淋巴细胞和多种哺乳动物细胞系中得到证实[8]、[9]、[10]。这种抑制通常伴随着细胞内谷胱甘肽（GSH）水平的降低和氧化应激标志物的增加，表明涉及活性氧（ROS）的形成和氧化还原失衡[11]、[12]。多项研究表明，CYN暴露会激活抗氧化防御反应，包括超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶的上调，这表明细胞在死亡前对氧化损伤具有适应性反应[11]、[13]。此外，CYN还导致脂质过氧化和脂质修饰、DNA链断裂、染色体异常、微核形成以及内分泌紊乱，支持其具有遗传毒性、内分泌干扰和潜在致癌性[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]。
CYN的代谢激活似乎涉及细胞色素P450（CYP450）酶，这些酶能生成能够与细胞大分子共价结合的活性代谢物[13]、[20]。事实上，CYP450活性的抑制可以减少CYN在肝细胞中的细胞毒性，强调了代谢生物转化在其毒性中的作用[20]。CYN通过胃肠道吸收后会在全身范围内分布，主要作用于肝脏和肾脏[21]、[22]。在肝脏中，CYN会导致肝细胞肥大、窦状血管扩张、坏死和血清转氨酶升高，这一点已在亚急性和亚慢性啮齿动物研究中得到证实[23]、[24]、[25]。肾脏也表现出功能和结构改变，包括肾小管退化、蛋白质管型形成和肾小球损伤[26]、[27]。胃和肠道作为口服暴露后的第一个接触部位，可能会在全身分布之前出现上皮损伤、屏障功能障碍或炎症反应[16]、[28]。
尽管CYN的全身毒性已有文献记载，但摄入后不久发生的早期分子和细胞事件仍知之甚少。大多数体内研究集中在持续数天或数周的重复或慢性暴露上，而发生在数小时内的急性、短期组织损伤过程则被忽视。了解这些早期反应对于阐明毒素的吸收、分布、代谢和排泄过程以及确定病理过程的主要发生部位至关重要。绘制CYN在体内的时空动态图也有助于确定观察到的损伤是由直接局部接触、代谢激活还是继发性氧化应激机制引起的。
基质辅助激光解吸/电离质谱成像（MALDI-MSI）已成为毒理学中强大的空间分子分析技术。MALDI-MSI能够在不进行预标记或提取的情况下，直接在完整组织切片中同时可视化内源性生物分子和外源性化合物（如药物或毒素）[29]、[30]。最近，在CYN的研究中，MALDI-MSI显示了不同脂质家族的变化，这些变化可能与炎症反应、氧化应激增加以及暴露于该毒素的大鼠肠道组织中细胞膜完整性的逐渐损伤有关[16]。该技术保留了组织结构，使分子分布与组织学特征相关联，并提供了关于定位和浓度梯度的信息。
虽然我们之前关于肠道组织的MALDI-MSI研究提供了CYN引起的脂质变化的空间分辨信息，但这些信息仅限于单一器官。然而，早期的毒性动态反应本质上是全身性的，由于暴露途径、代谢能力和组织特异性易感性的差异，不同器官之间的反应可能存在显著差异。
因此，本研究旨在表征大鼠口服摄入CYN（500 μg/kg体重）并在暴露后0、2、4、6和24小时处死时，CYN在胃、肝和肾脏中的时空分布和毒性效应。这项工作的关键目标不仅是将之前的分析扩展到更多组织，而且是在相同暴露条件下进行比较性的、时空性的、跨器官的早期脂质组学评估。这种方法能够识别器官特异性的脂质变化在空间分布和时间演变方面的轨迹，提供单一组织研究无法捕捉到的差异易感性和反应动态的见解。这种多器官方法为CYN的毒性提供了更广泛的系统级视角。据我们所知，这是首次应用MALDI-MSI基脂质组学技术来体内表征CYN在多个器官中引起的空间和时间上的脂质变化。
章节摘录
试剂和化学品
MALDI-MSI分析中使用的基质是2,5-二羟基苯甲酸（DHB）（Sigma-Aldrich，德国）。CYN标准品纯度为95%，购自Enzo Life Sciences（瑞士）。分析级水和乙腈（ACN）来自Fisher Scientific（比利时）。
实验动物和研究设计
实验方案获得了塞维利亚大学动物实验伦理委员会和安达卢西亚自治区政府（项目编号21/06/2023/49）的批准。该研究遵循了相关伦理规范
结果与讨论
在优化和验证了MALDI-MSI检测CYN的方法后，证明了其对小肠组织细胞结构和炎症信号传导的影响[16]。本研究提供了CYN毒性的多器官空间脂质组学分析，能够比较不同组织在急性暴露后的特异性反应和早期分布模式。这种综合方法为了解器官易感性和脂质的空间动态提供了新的见解
结论
本研究提供了CYN分布的空间和时间概览，并使用MALDI–MSI比较了多个器官（胃、肝和肾脏）对CYN暴露的早期脂质组学反应。除了描述性特征外，跨器官的方法揭示了组织在空间分布和时间动态方面的不同反应轨迹。CYN在胃中的短暂存在、肝脏的显著脂质重塑以及肾脏的区域特异性变化
CRediT作者贡献声明
雷梅迪奥斯·古兹曼-吉伦（Remedios Guzmán-Guillén）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，监督，软件使用，方法学，研究，数据分析，概念化。爱德华多·奇卡诺-加尔韦斯（Eduardo Chicano-Galvez）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，软件使用，方法学，研究，数据分析。安东尼奥·卡萨斯-罗德里格斯（Antonio Casas-Rodríguez）：撰写 – 原稿，可视化，研究。安赫拉·佩拉尔博-莫利纳（Angela Peralbo-Molina）：撰写 – 审稿与编辑，软件使用，
机构审查委员会声明：
动物实验伦理委员会和安达卢西亚自治区政府批准了该实验方案（项目编号2023/49/21）。
资助
本研究得到了项目PID 2019-104890RB-I00（由MICIU/AEI/10.13039/501100011033资助）和项目PID2023-147444OB-I00（由MICIU/AEI/10.13039/501100011033以及FEDERUE资助）的支持。安东尼奥·卡萨斯-罗德里格斯获得了西班牙科学与创新部（MINISTERIO de Ciencia e Innovación）的FPI资助（PRE2020-094412）。
利益冲突声明
? 作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突：安赫莱斯·霍斯（Angéles Jos）表示获得了西班牙科学与创新部的财政支持。安娜·M·卡梅安（Ana M. Camean）表示获得了西班牙科学与创新部的财政支持。安东尼奥·卡萨斯-罗德里格斯（Antonio Casas-Rodriguez）表示获得了西班牙科学与创新部的财政支持。如果还有其他
致谢
作者感谢塞维利亚大学第七期自主研究与知识转移计划（项目编号VIIPPIT-2023-US-I）的支持。
