FSHW | 磷脂酰膽堿通過維持谷胱甘肽和甘油磷脂的代謝穩(wěn)態(tài)干預(yù)丙烯酰胺的肝臟毒性作用

本文系Food Science and Human Wellness原創(chuàng)編譯，歡迎分享，轉(zhuǎn)載請授權(quán)。

Introduction

丙烯酰胺是一種無色有機分子化合物，作為絮凝劑廣泛應(yīng)用于化工行業(yè)，如紙制品制造、采礦工程、紡織、化妝品和廢水凈化。在日常生活中，人體接觸丙烯酰胺的主要來源是飲用水、煙草煙霧以及與美拉德反應(yīng)有關(guān)的油炸和烘焙食品，包括咖啡、薯片、餅干、薯條和面包等。丙烯酰胺可以通過消化道、呼吸道和皮膚進入人體，具有較強的組織通透性，可迅速在血液和全身各組織中分布。因此，丙烯酰胺對組織和器官的毒性作用研究。

嚙齒動物和人類代謝丙烯酰胺主要通過兩種途徑。丙烯酰胺可以通過谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶的作用直接與谷胱甘肽（GSH）結(jié)合，經(jīng)過降解和乙酰化后，形成的加合物以巰基尿酸N-乙酰-S-(2-氨基甲酰乙基)-L-半胱氨酸（AAMA）的形式隨尿液排出。丙烯酰胺也可以在在細胞色素P450 2E1環(huán)氧化物酶的催化下代謝為有毒的環(huán)氧丙酰胺后與GSH結(jié)合，該過程伴隨著包括活性氧（ROS）在內(nèi)的自由基的產(chǎn)生。在環(huán)氧化物水解酶的催化下，部分環(huán)氧丙酰胺可以水解成無毒的甘油酰胺。丙烯酰胺導(dǎo)致線粒體中GSH的消耗和ROS的積累，產(chǎn)生神經(jīng)毒性。氧化磷酸化產(chǎn)生的ROS可以干擾電子傳遞鏈，使線粒體膜電位去極化，擾亂線粒體的結(jié)構(gòu)和功能，釋放細胞色素c激活信號通路，最終誘導(dǎo)細胞凋亡。有研究表明，丙烯酰胺誘導(dǎo)的GSH耗竭促進神經(jīng)組織中的脂質(zhì)過氧化并影響多種神經(jīng)遞質(zhì)的水平，而這些神經(jīng)遞質(zhì)對中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的突觸傳遞至關(guān)重要。

磷脂酰膽堿是一種在生物體內(nèi)普遍存在的多不飽和脂肪酸，參與細胞增殖、分化和再生以及通過膜的分子運輸。據(jù)報道，攝入磷脂酰膽堿會增加人體血清中的多不飽和脂肪酸水平，尤其是膽固醇酯中的亞油酸，并降低甘油三酯水平以及低密度脂蛋白與高密度脂蛋白在血清中的比例。磷脂酰膽堿也可能被認為是阿爾茨海默病的生物標志物，例如，研究發(fā)現(xiàn)阿爾茨海默病患者血漿中的8 種磷脂酰膽堿的水平顯著下降。此外，磷脂酰膽堿被認為可以通過下調(diào)脂肪酸合成來抑制膽固醇的累積，因此常被用于治療脂肪肝、腦血管疾病、心肌缺血和癡呆引起的肝功能障礙。盡管磷脂酰膽堿已被證明具有保護肝臟損傷的作用，且丙烯酰胺毒性作用及其在肝臟中的主要代謝過程已被廣泛研究，但尚未有研究解析磷脂酰膽堿是否對丙烯酰胺引起的肝毒性具有干預(yù)作用以及干預(yù)作用發(fā)生的機制。

浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院李垚然博士和章宇教授等在前期研究中已發(fā)現(xiàn)丙烯酰胺的攝入會影響肝臟中氨基酸、糖和脂質(zhì)的組成和含量，導(dǎo)致代謝紊亂。結(jié)合丙烯酰胺誘導(dǎo)的肝臟代謝紊亂和磷脂酰膽堿的保肝作用，推測磷脂酰膽堿可能通過調(diào)節(jié)氨基酸和糖脂之間的代謝平衡來減輕丙烯酰胺的肝毒性作用。因此，本文通過基于高分辨率質(zhì)譜的代謝組學(xué)分析和分子生物學(xué)方法驗證，揭示了磷脂酰膽堿和丙烯酰胺對肝臟代謝譜和代謝途徑的相互作用。

Results and Discussion

肝細胞形態(tài)學(xué)變化

通過蘇木精-伊紅染色對肝組織的組織進行病理學(xué)觀察，結(jié)果表明在對照組、低劑量丙烯酰胺暴露組和低劑量丙烯酰胺磷脂酰膽堿干預(yù)組中，肝細胞分布均勻，具有完整的肝細胞結(jié)構(gòu)和清晰的細胞膜和細胞核（圖1）。在高劑量丙烯酰胺暴露組中，發(fā)現(xiàn)肝臟中發(fā)生了炎性細胞的聚集，從而導(dǎo)致周圍的肝細胞形態(tài)發(fā)生變化。此外，高劑量丙烯酰胺暴露后一些細胞中產(chǎn)生了脂滴聚集的現(xiàn)象。磷脂酰膽堿干預(yù)緩解了炎癥細胞的積聚，并維持了正常的細胞形態(tài)。然而，一些干預(yù)組的肝細胞中也存在細胞內(nèi)脂滴的積聚，這表明丙烯酰胺誘導(dǎo)的脂質(zhì)紊亂可能不會被磷脂酰膽堿的作用逆轉(zhuǎn)。

圖1 不同劑量丙烯酰胺暴露和磷脂酰膽堿干預(yù)大鼠肝臟的組織病理學(xué)變化

代謝組學(xué)分析

應(yīng)用Compound Discoverer 3.1軟件對原始數(shù)據(jù)進行處理后，在正離子模式和負離子模式下分別檢測到共計913和817 種化合物。通過方差分析（Tukey’s）檢驗對各組間峰值強度差異的顯著性進行了分析。基于OPLS-DA模型，選擇P值< 0.05和VIP值> 1的代謝物作為顯著差異代謝物。共有32 種內(nèi)源性效應(yīng)生物標志物被鑒定為顯著差異代謝物（圖2）。

圖2 顯著差異代謝物的聚類熱圖

磷脂酰膽堿的干預(yù)抑制了低劑量丙烯酰胺暴露導(dǎo)致的大鼠肝臟中景天庚酮糖-7-磷酸、D-核糖-5-磷酸和磷脂酰膽堿（18:3/22:6）的減少，以及半乳糖酸、硬脂酰肉堿、PI（16:0/20:4）和PAF的增加（圖3）。而在高劑量丙烯酰胺暴露組中，更多種類的脂質(zhì)化合物發(fā)生了代謝紊亂。磷脂酰膽堿干預(yù)使高劑量丙烯酰胺暴露肝臟中l(wèi)ysoPC和PI（20:3/14:0）的濃度保持在正常水平，這有利于維持脂質(zhì)代謝和膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)。

低劑量丙烯酰胺暴露顯著提高了谷胱甘肽代謝途徑中半胱氨酸的濃度，而進一步補充磷脂酰膽堿可以降低半胱氨酸在肝臟中的水平。同時，高劑量丙烯酰胺的暴露會顯著影響谷胱甘肽代謝中的各種氨基酸的水平，包括谷胱甘肽、L-半胱氨酸和半胱氨酰甘氨酸，而磷脂酰膽堿的干預(yù)則可以通過維持谷胱甘肽和半胱胺酰甘氨酸的水平來使肝臟免受丙烯酰胺誘導(dǎo)的代謝紊亂。這些結(jié)果表明，磷脂酰膽堿處理可以通過維持谷胱甘肽池的穩(wěn)定性來緩解丙烯酰胺暴露導(dǎo)致的氧化應(yīng)激，并保持正常的生物膜的脂質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和功能。

圖3 （A）低劑量和(B)高劑量丙烯酰胺暴露以及磷脂酰膽堿干預(yù)條件下差異代謝物的變化

顯著差異代謝通路分析和驗證

低劑量丙烯酰胺暴露組大鼠與對照組相比共有15 種顯著差異生物代謝標志物，通過富集分析確定了受影響的顯著差異代謝通路，包括甘油磷脂代謝、糖基磷脂酰肌醇（GPI）-錨生物合成、磷酸戊糖途徑、半胱氨酸和蛋氨酸代謝、亞油酸代謝以及硫胺素代謝（圖4 A）。同樣，我們在高劑量丙烯酰胺暴露組大鼠的肝臟中鑒定出了23種顯著差異代謝物，并發(fā)現(xiàn)了一些顯著差異代謝途徑，包括甘油磷脂代謝、GSH代謝、GPI錨生物合成和磷脂酰肌醇信號通路（圖4 B）。分子生物學(xué)實驗驗證結(jié)果表明，磷脂酰膽堿處理可降低CYP 2E1的表達，緩解肝臟的氧化應(yīng)激和炎癥，維持谷胱甘肽的含量，從而緩解谷胱甘肽的紊亂。同時，磷脂酰膽堿可以逆轉(zhuǎn)丙烯酰胺誘導(dǎo)的磷脂酰膽堿到lysoPC的轉(zhuǎn)化，將lysoPC轉(zhuǎn)化為DAG儲存，從而維持了甘油磷脂代謝的穩(wěn)態(tài)。

圖4 （A）谷胱甘肽代謝和（B）甘油磷脂代謝途徑mRNA變化

丙烯酰胺暴露生物標志物與內(nèi)源性效應(yīng)生物標志物的相關(guān)性分析

丙烯酰胺在肝臟中的暴露生物標志物與內(nèi)源性效應(yīng)生物標志物之間的相關(guān)性分析結(jié)果表明，肝臟中丙烯酰胺及其巰基尿酸加合物的水平與氧化應(yīng)激和脂質(zhì)過氧化相關(guān)指標以及甲基鳥嘌呤代謝產(chǎn)物的含量高度相關(guān)，而與肉堿含量和抗壞血酸含量呈負相關(guān)（圖5）。鳥嘌呤代謝產(chǎn)物中甲基鳥嘌呤的增加表明丙烯酰胺代謝可能會導(dǎo)致DNA損傷。作者還發(fā)現(xiàn)了抗壞血酸含量、谷胱甘肽代謝中半胱氨酸、谷胱甘肽和半胱氨酰甘氨酸的含量以及糖代謝途徑中景天庚酮糖-7-磷酸、D-核糖-5-磷酸的含量與丙烯酰胺暴露生物標志物的負相關(guān)關(guān)系，也進一步表明丙烯酰胺可能會消耗谷胱甘肽及其合成相關(guān)的氨基酸和抗氧化劑，導(dǎo)致體內(nèi)代謝紊亂。

圖5 丙烯酰胺暴露生物標志物和內(nèi)源性效應(yīng)生物標志物的相關(guān)性分析

Conclusion

丙烯酰胺暴露通過消耗抗氧化劑谷胱甘肽、半胱氨酸和L-抗壞血酸干擾谷胱甘肽代謝，并通過降低肉堿含量和增加脂質(zhì)過氧化破壞脂質(zhì)和碳水化合物代謝。磷脂酰膽堿治療降低了細胞色素P450 2E1的表達，減輕了肝臟的氧化應(yīng)激和炎癥，穩(wěn)定了谷胱甘肽的含量，從而緩解了谷胱甘肽的紊亂。同時，磷脂酰膽堿將丙烯酰胺誘導(dǎo)的磷脂酰膽堿轉(zhuǎn)化為溶血磷脂酰膽堿，從溶血磷脂酰甘油轉(zhuǎn)化為二酰甘油進行儲存，從而維持甘油磷脂的代謝穩(wěn)態(tài)。磷脂酰膽堿的干預(yù)不會顯著改變丙烯酰胺巰基尿酸加合物的水平，為磷脂酰膽堿預(yù)防丙烯酰胺誘導(dǎo)的肝損傷提供了證據(jù)。

01

第一作者簡介

李垚然，女，工學(xué)博士，現(xiàn)為寧夏大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院講師，主要研究方向為食品加工伴生危害物的體內(nèi)代謝暴露譜解析、毒性評價、內(nèi)外暴露關(guān)聯(lián)及其在人群中的暴露評估。攻讀博士學(xué)位期間參與完成十三五重點研發(fā)計劃專項“食品污染物暴露組解析和總膳食研究”課題研究，在SCI收錄期刊上以第一或共同第一作者發(fā)表學(xué)術(shù)論文4 篇。

02

通信作者簡介

章宇，男，浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，浙江大學(xué)食品加工工程研究所副所長，主要研究方向為食品加工污染物安全控制與健康危害防護的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，以丙烯酰胺防護與控制研究為代表。作為負責(zé)人承擔(dān)國家重點研發(fā)計劃課題2 項，國家自然科學(xué)基金項目4 項；承擔(dān)浙江省重點研發(fā)計劃項目、浙江省自然科學(xué)杰出青年基金、重點項目等省部級項目以及橫向科技合作項目10余項。擔(dān)任Critical Reviews in Food Science and Nutrition、Food Science and Biotechnology、《食品安全質(zhì)量檢測學(xué)報》和《中國食品衛(wèi)生雜志》期刊編委、中國毒理學(xué)會分析毒理專業(yè)委員會委員、中國營養(yǎng)學(xué)會青年工作委員會委員、中國生態(tài)學(xué)學(xué)會生態(tài)健康與人類生態(tài)專業(yè)委員會委員等職務(wù)。以通信（共同通信）作者身份在PNAS、Science Advances、Nature Communications、Nature Plants等期刊發(fā)表SCI學(xué)術(shù)論文100多篇，總被引頻次4 000余次，H指數(shù)38，入選全球?qū)W者學(xué)術(shù)影響力排行榜（2023年）、入選國家高層次青年人才計劃（2015年）、教育部全國優(yōu)秀博士論文（2012年），獲浙江省自然科學(xué)獎二等獎、國際純粹與應(yīng)用化學(xué)學(xué)會青年化學(xué)家獎、中國食品科學(xué)技術(shù)學(xué)會科技創(chuàng)新獎——杰出青年獎、中國毒理學(xué)會優(yōu)秀青年科技獎、中國營養(yǎng)科學(xué)十大青年科技之星（杰出青年獎）等獎項。

Phosphatidylcholine protects against the hepatotoxicity of acrylamide via maintaining metabolic homeostasis of glutathione and glycerophospholipid

Yaoran Lia, Wei Jiaa, Yiju Zhanga, Yong Wub,c, Li Zhua, Jingjing Jiaod, Yu Zhanga,*

a Department of Gastroenterology, The First Affiliated Hospital, Zhejiang University School of Medicine; Zhejiang Key Laboratory for Agro-Food Processing, College of Biosystems Engineering and Food Science, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China

b College of Food Science and Technology, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China

c Sichuan Provincial Key Laboratory for Development and Utilization of Characteristic Horticultural Biological Resources, College of Chemistry and Life Sciences, Chengdu Normal University, Chengdu 611130, China

dDepartment of Nutrition, School of Public Health, Department of Clinical Nutrition of Affiliated Second Hospital, Zhejiang University School of Medicine, Hangzhou 310058, China

*Corresponding authors.

Abstract

Acrylamide is classified as a Class 2A carcinogen and mainly metabolized to produce hepatotoxicity. Phosphatidylcholine is thought to protect the liver from damage, but the protective role of phosphatidylcholine on acrylamide-exposed metabolic disorders remains unclear. We investigated protective effect of phosphatidylcholine on the hepatic metabolism in rats exposed to acrylamide using metabolomics and molecular biology approaches. Overall, 32 endogenous effect biomarkers and 4 exposure biomarkers were identified as differential signature metabolites responsible for acrylamide exposure and phosphatidylcholine protection. Acrylamide exposure interferes with glutathione metabolism by consuming antioxidant glutathione, cysteine and L-ascorbic acid, and disrupts lipid and carbohydrate metabolism through reducing carnitine content and increasing lipid peroxidation. The phosphatidylcholine treatment reduces the expression of cytochrome P450 2E1, alleviates the oxidative stress and inflammation of the liver, and stabilizes the content of glutathione, and thus alleviates the disorder of glutathione. Meanwhile, phosphatidylcholine shifted acrylamide-induced phosphatidylcholine into lysophosphatidylcholine to storage from lysophosphatidylcholine to diacylglycerol, thereby maintaining metabolic homeostasis of glycerophospholipid. The results suggested that phosphatidylcholine supplementation alleviate the disorder of glutathione and lipid metabolism caused by acrylamide exposure, but not significantly change the levels of mercapturic acid adducts of acrylamide, providing the evidence for phosphatidylcholine protection against acrylamide-induced liver injury.

Reference:

LI Y R, JIA W, ZHANG Y J, et al. Phosphatidylcholine protects against the hepatotoxicity of acrylamide

via

本文編譯內(nèi)容由作者提供

編輯：王佳紅；責(zé)任編輯：孫勇

封面圖片：圖蟲創(chuàng)意

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