空气污染物暴露对高血压大鼠肠道微生物群和心肌组织的影响及机制探讨

【摘要】：近年来,我国空气质量状况依旧十分严峻,大气污染物浓度仍较高,大气污染引发的健康问题受到越来越多的关注。已有研究表明大气污染对心血管疾病具有影响,但心血管疾病病因复杂,为了研究大气污染对心血管疾病影响的机制还需要选择适当的模型来进行探讨。由于高血压患者具有心脏负担大、心肌更易受到损伤的特点,患高血压等基础性疾病的人群更易受到大气污染的影响。因此,我们可以通过观察大气污染对高血压机体心肌组织损伤相关通路基因表达的变化,进一步探讨大气污染导致心肌损伤的机制。研究发现肠道菌群构成、F/B比值(厚壁菌门与拟杆菌门丰度比值)等指标与高血压及冠心病等心血管疾病的发病密切相关,也有证据表明肠道微生物功能失调可能导致包括高血压和动脉粥样硬化在内的多种疾病。而由大气污染引起的肠道微生物群改变是否会进一步影响心血管系统?当前还没有研究对此问题进行探讨。基于以上背景,本研究选择了具有自发性高血压的大鼠(SHR大鼠)作为动物模型。采用16S rDNA测序和转录组测序技术研究吸入性大气污染物对SHR大鼠肠道微生物群和心血管系统的影响,并分析大气污染物暴露引起的肠道菌群改变与宿主心血管系统损伤的关系,在此基础上分析大气污染物暴露对心肌组织损伤相关基因表达谱的影响,进而对大气污染引起的SHR大鼠血压改变和心肌损伤的分子机制进行探讨,最终为阐明大气污染物对肠道微生态系统和心血管系统的联动毒性效应提供理论基础,为大气污染损害肠道菌群平衡参与心血管疾病发病提供依据。并为高血压疾病患者应对大气污染提出更全面的建议,以期未来通过微生态制剂干预肠道菌群对抗大气污染引起的心血管疾病提供新策略。方法:1、本研究以采集于辽宁省沈阳市秋冬季节的大气PM2.5颗粒物和人工混合气体污染物作为实验用大气污染物,以自发性高血压(SHR)大鼠为动物模型,通过气管滴注式染尘和动式染毒将SHR大鼠暴露于PM2.5和混合气体污染物中,检测大气污染物在低、中、高三种不同暴露剂量和1-90天暴露时间的条件下对SHR大鼠的体重、血压和血脂等心血管疾病相关指标的影响。2、采集SHR大鼠粪便样本,应用16S rDNA测序技术检测大气污染物对SHR大鼠肠道菌群的影响,并通过Alpha多样性分析(物种丰富度、均匀度、多样性分析)、Beta多样性分析(PCo A分析、样本层次聚类等)、微生物群落组成分析、以及肠道菌群功能预测等生物信息学方法详细分析了大气污染引起的肠道菌群结构如何改变以及这些改变与宿主心血管系统之间的关系。3、应用转录组测序技术结合QPCR方法检测SHR大鼠心肌组织基因表达谱,通过数据质控、序列比对、基因表达水平定量、差异基因表达分析以及差异基因富集(GO富集和KEGG富集)分析等生物信息学方法获得了大气污染物暴露对心肌组织基因表达的影响。并通过Western Blot和免疫荧光方法分析了差异表达基因参与的心血管系统相关信号通路的上下游蛋白的表达差异。结果:1、沈阳地区大气污染物(PM2.5)成分包含16种多环芳烃,21种金属元素,以及硝酸根、硫酸根等无机离子,及砷、铅、锰等具有显著生理毒性的金属元素。吸入性大气污染暴露可减缓SHR大鼠的生长发育,延长SHR大鼠达到成年体重所需时间。可使SHR大鼠血压进一步显著升高,且血压的升高与大气污染物浓度存在一定的剂量效应关系。中或高剂量的大气污染物还可引起SHR大鼠的血清甘油三酯(TG)、总胆固醇(TC)和低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)的急性改变。2、在暴露于大气污染的较短时期(1-30天),SHR大鼠肠道微生物菌群的丰富度显著降低,厚壁菌门(Firmicutes)与拟杆菌门(Bacteroidetes)丰度比值(F/B值)显著升高,一些产短链脂肪酸(Short Chain Fatty Acids,SCFA)细菌,如粪杆菌属(Faecalibacterium)和厌氧棒状菌属(Anaerostipes)的丰度显著降低,产三甲胺的厚壁菌门等丰度显著增加,肠道菌群发生了显著紊乱,功能分析表明肠道微生物的丙酸和乙酸生成能力显著降低,这些改变与宿主心血管系统损伤相关。3、大气污染显著影响SHR大鼠心肌组织基因的表达水平,GO富集分析显示差异表达基因主要富集于免疫反应等细胞进程和MHC蛋白复合体等细胞组分,KEGG通路富集分析显示差异表达基因主要涉及病毒性心肌炎、T细胞受体信号通路、吞噬体、肠免疫网络、内吞作用、细胞粘附分子、哮喘、抗原加工提呈等心肌损伤和免疫反应相关信号通路。在心血管疾病相关信号通路中,参与血压调节的Ace(血管紧张素转换酶)基因和Agtr1a(血管紧张素Ⅱ1A型受体)基因、参与心肌细胞钙离子水平调节的Atp2a2(肌浆/内质网钙转运ATP酶A2)基因、以及参与心肌收缩的Actc1(心肌肌动蛋白α1)、Myh6(肌球蛋白重链6)、Tnni3(心肌肌钙蛋白I)和Tnnt2(心肌肌钙蛋白T)基因的表达水平均发生显著上调。Western Blot和免疫荧光分析显示肾素-血管紧张素系统、血管平滑肌收缩通路、心肌收缩通路、钙离子信号通路等通路中的ACE、AGTR1A、ATP2A2、TNNI3和TPM3蛋白表达升高,而ACTC1、CALD1、CALM1和TNNC1蛋白表达降低。结论:1、大气污染可对原发性高血压大鼠的体重、血压和血脂产生显著影响,大气污染具有显著的延缓体重增长、升高血压、引起血脂代谢紊乱等损害心血管系统的作用。2、吸入性大气污染物暴露可显著影响原发性高血压大鼠肠道菌群的多样性、群落组成和代谢功能,大气污染所相关的肠道微生物群改变具有进一步升高宿主血压的作用,且肠道菌群的改变可能通过SCFA等代谢产物影响心血管系统。3、大气污染物暴露可通过心肌组织的肾素-血管紧张素系统、钙离子信号通路及免疫反应等相关信号途径的异常,最终导致原发性高血压大鼠的心血管系统损伤,为理解大气污染引起SHR大鼠血压升高和心脏损伤机制提供了研究方向和实验依据。