《Environmental Science & Technology》：Benzalkonium Chloride-Induced Nephrotoxicity in 2D Cultures and a Human Kidney-on-a-Chip System
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摘要
苯扎氯铵（BACs）是一类广泛应用于多种环境的抗菌化合物，COVID-19 大流行导致 BAC 含量产品使用显著增加。既往动物研究表明，肾脏是 BAC 积累的主要器官，而肝脏由于高效的细胞色素 P450（CYP）介导代谢不易积累 BAC。因此，研究人
摘要
苯扎氯铵（BACs）是一类广泛应用于多种环境的抗菌化合物，COVID-19 大流行导致 BAC 含量产品使用显著增加。既往动物研究表明，肾脏是 BAC 积累的主要器官，而肝脏由于高效的细胞色素 P450（CYP）介导代谢不易积累 BAC。因此，研究人员假设低 BAC 代谢能力促成肾脏中 BAC 的积累并引发随后的肾损伤。在二维培养的近曲小管上皮细胞（PTECs）中，发现肾脏代谢不足以解毒 BAC。随后使用新型三维“肾脏芯片”（microphysiological system, MPS）评估 BAC 的肾毒性，MPS 曝露于 100 nM C12- 或 C14-BAC 为期一周。对三维培养 PTECs 的转录组分析显示 BAC 曝露后多个生化通路显著改变，包括黏附斑（focal adhesion）及胆固醇生物合成。通过正交技术进一步验证了二维培养 PTECs 中部分显著改变通路的表型变化。总体结果表明，PTECs 对 BAC 的低代谢能力是其肾毒性的关键原因。
论文解读
近年来，苯扎氯铵（BAC）因其广谱抗菌活性在医疗、消毒、化妆品及食品加工等领域被广泛使用。随着 COVID-19 大流行，含 BAC 产品的使用量大幅增加，人群内 BAC 暴露水平显著升高。既往动物实验显示，BAC 在肾脏中的积累远高于肝脏，这可能源于肾脏内 BAC 代谢能力低下。已有临床观察显示，BAC 暴露可引起职业性哮喘、接触性皮炎及眼部不良反应，但其肾脏毒性机制尚未系统阐明。为评估 BAC 对人肾的潜在毒性及代谢机制，本研究开展了二维 PTEC 及三维“肾脏芯片”（Kidney-on-a-chip）平台研究。研究人员首先在二维培养 PTECs 中评估 BAC 的代谢能力，发现肾脏 CYP4F 代谢不足以解毒 BAC，尤其在低浓度条件下，C12-BAC 代谢受阻时细胞毒性轻度增强。随后在三维肾脏芯片中，100 nM C12-或 C14-BAC 曝露 7 天显示细胞死亡增加，且与 BAC 链长相关，C14-BAC 毒性高于 C12-BAC。转录组分析显示 BAC 曝露显著改变多个生化通路，包括胆固醇生物合成和黏附斑通路，二维 PTECs 正交验证实验确认了部分表型变化。此外，BAC 及其 ω-OH 代谢物在细胞内外的分布表明，母体 BAC 优先积累于细胞内，而代谢物更易排出至培养基。总体结论显示，PTECs 对 BAC 低代谢能力是 BAC 肾毒性的核心机制。本研究发表在《Environmental Science》。
在研究方法方面，研究人员采用了两套互补模型：一是来源于人体捐赠者的近曲小管上皮细胞（PTECs）二维培养；二是三维“肾脏芯片”微生理系统（MPS），该系统可模拟人肾近曲小管的三维结构、流体剪切力及细胞极化表达。研究通过 LIVE/DEAD 染色、KIM-1 生物标志物测定、转录组测序（RNA-Seq）、超高效液相色谱-串联质谱（UPLC–MS/MS）及胆固醇分析（Sterol analysis）等技术评估 BAC 毒性及代谢，并用 CYP4F 抑制剂 HET0016 验证 CYP 介导代谢作用。
在结果方面：
**二维 PTECs 毒性评估**：母体 BAC（C12、C14、C16）IC50 分别为 2.9、1.5 和 1.3 μM，显著高于 ω-OH 代谢物，表明 CYP 代谢可减轻细胞毒性。CYP4F 抑制剂 HET0016 对 C12-BAC 毒性有轻微增强，但对 C14、C16-BAC 影响不明显，提示高浓度下代谢能力饱和。
**三维肾脏芯片毒性评估**：100 nM C12-及 C14-BAC 曝露 7 天后，细胞死亡显著增加，死亡程度随 BAC 链长增加，C14-BAC 毒性高于 C12-BAC。KIM-1 水平未显著升高，提示急性肾损伤标志物未被触发，但 LIVE/DEAD 染色显示明显细胞损伤。
**BAC 代谢及分布**：母体 BAC 优先在细胞内积累，C12-BAC、C14-BAC 细胞内浓度分别比培养基高 228-423 倍。主要代谢物 ω-OH 在细胞内外均可检测到，且更易排出至培养基。CYP4F 抑制后 ω-OH 代谢物水平显著下降，但母体 BAC 水平仅略增，表明代谢饱和效应。
**转录组分析**：BAC 曝露后，PTECs 中黏附斑及胆固醇生物合成通路显著改变。二维 PTEC 正交验证实验确认了这些表型变化，包括细胞黏附能力下降及胆固醇中间产物异常累积。
讨论部分总结表明，PTECs 的低 BAC 代谢能力导致母体 BAC 在细胞内积累，进而引发细胞损伤与肾毒性。三维肾脏芯片为模拟人肾毒性提供了更接近生理条件的模型，同时验证了 BAC 链长与毒性相关的机制。该研究为评估长期低浓度 BAC 暴露下的人体肾脏安全性提供了重要实验依据，提示需关注常规消毒产品的潜在肾毒性风险。
研究结论：苯扎氯铵在人体近曲小管上皮细胞中因低代谢能力而显著积累，母体 BAC 毒性高于代谢物，三维肾脏芯片模型验证其对细胞生存和关键代谢通路的破坏作用，揭示了 BAC 肾毒性的细胞学基础，为监管及风险评估提供参考。
