基于多组学分析揭示双酚A通过p38 MAPK/11β-HSD2通路扰乱肾脏类固醇激素代谢的新机制

《Scientific Reports》：Bisphenol A disrupts renal metabolism via MAPK-mediated steroid hormone dysregulation identified by transcriptomic and metabolomic analyses

　　本研究针对双酚A(BPA)暴露导致肾脏代谢紊乱的分子机制不明确这一科学问题，通过整合生物信息学、转录组学和代谢组学分析，结合体内外实验验证，发现BPA通过激活p38 MAPK信号通路抑制11β-羟类固醇脱氢酶2(11β-HSD2)表达，进而干扰皮质醇代谢和醛固酮合成，揭示了类固醇激素生物合成紊乱是BPA诱导肾毒性的关键分子事件，为环境污染物健康风险评估提供了新视角。

　　

在我们日常生活中，双酚A(BPA)这种化学物质无处不在——从食品包装容器、婴幼儿用品到医疗器械，几乎渗透到现代生活的方方面面。然而，这种广泛使用的工业原料正悄然成为潜在的健康威胁。研究表明，BPA可以从这些产品中持续渗出并进入人体，在尿液和血液中都能检测到其存在。特别令人担忧的是，流行病学调查显示，中国人群中尿液BPA水平高达2.90 ng/mL，血液中达2.54 ng/mL，且肾脏作为主要代谢和排泄器官，首当其冲地承受着BPA的毒性效应。

尽管越来越多的证据表明长期BPA暴露与亚临床肾毒性及相关代谢紊乱存在潜在关联，但导致这些效应的基因调控机制至今尚未明确。肾脏作为高度代谢活跃的器官，对化学污染物特别敏感。临床研究发现，美国和中国人群的尿液BPA检出率分别高达90%和84%，且BPA暴露与蛋白尿、肾功能衰竭和慢性肾脏病(CKD)的发生发展密切相关。然而，BPA究竟通过何种分子途径干扰肾脏代谢稳态，仍是环境毒理学领域亟待解决的科学问题。

为了解决这一难题，山西医科大学法医学院的高睿研究员团队在《Scientific Reports》上发表了创新性研究成果。研究人员采用多学科交叉的研究策略，通过生物信息学预测、多模态影像学、组织病理学、转录组学、代谢组学以及分子细胞生物学实验，系统揭示了BPA通过p38 MAPK/11β-HSD2轴扰乱肾脏类固醇激素代谢的全新机制。

研究团队首先运用生物信息学方法，从GEO和CTD数据库中筛选出6个与慢性肾损伤相关的基因芯片数据集，涵盖382个样本（主要为肾脏组织活检样本），鉴定出333个共同差异表达基因(DEG)。基因本体(GO)和京都基因与基因组百科全书(KEGG)富集分析显示，BPA影响慢性肾损伤主要涉及ERK1/2级联反应的正调控、缺氧应答和细胞粘附等生物过程，而MAPK信号通路、库欣综合征、类固醇激素生物合成等通路与BPA诱导的慢性肾损伤病理变化密切相关。

为了验证生物信息学预测结果，研究团队建立了体内外BPA暴露模型。在动物实验中，研究人员对ICR(CD1)小鼠进行为期6周的BPA灌胃处理（50 μg/kg/天，相当于BPA的每日耐受摄入量TDI），然后采用¹⁸F-FAPI-74 PET/CT成像技术这一创新手段，首次实现了BPA诱导的隐匿性肾损伤的可视化检测。结果显示，BPA暴露组小鼠肾脏区域在横断面和冠状面均出现不同程度的高摄取，标准摄取值最大值(SUV_max)显著高于对照组（1.52±0.12 vs 0.72±0.03），表明BPA暴露确实引发了肾脏炎症反应和组织损伤。

血液生化指标检测发现，BPA暴露组小鼠的血尿素氮(BUN)水平显著升高至22.15 mmol/L，而尿酸(UA)和血清肌酐(CR)水平无统计学显著变化，提示肾脏解毒和滤过功能已受到影响。组织病理学检查进一步证实了BPA的肾毒性效应：H&E染色显示肾小管上皮细胞胞浆染色减弱、部分细胞脱落、细胞核固缩崩解；Masson三色染色显示肾脏纤维化程度增加；PAS染色显示肾小管上皮细胞内糖蛋白积聚。这些发现共同表明，即使是短期BPA暴露，也足以引发肾脏结构和功能的早期改变。

在机制探索方面，研究团队采用了转录组学和代谢组学整合分析这一系统生物学方法。转录组测序鉴定出1952个差异表达基因（846个上调，1106个下调），KEGG富集分析显示MAPK信号通路、库欣综合征、PPAR信号通路和类固醇激素生物合成（包括皮质醇合成与分泌）通路显著富集。非靶向代谢组学分析则检测到1153种代谢物，发现35种上调差异变化代谢物(DCM)和34种下调DCM，其中类固醇激素生物合成相关代谢物如皮质醇和可的松水平轻微下降，而皮质醇代谢物5α-四氢皮质醇(5α-THF)和6β-羟基皮质醇(6β-OHF)水平升高。

多组学整合分析发现，转录组和代谢组共同富集到17条KEGG通路，包括HIF-1信号通路、心肌细胞肾上腺素能信号和类固醇激素生物合成。特别值得注意的是，类固醇激素生物合成（涉及皮质醇和醛固酮）和MAPK通路（HIF-1信号的经典调节因子）被确定为BPA诱导肾损伤的关键介质。实验验证表明，BPA暴露后小鼠血液中皮质醇和醛固酮水平轻微下降，与代谢组学数据一致；同时p38 MAPK活化显著增加（是对照组的1.91倍），而细胞外信号调节激酶1/2(ERK1/2)的活化无统计学变化。更重要的是，编码11β-羟类固醇脱氢酶2(11β-HSD2)的hsd11b2基因表达显著降低，蛋白质水平也下降至对照组的0.72倍。

为了深入阐明BPA通过p38 MAPK通路调控11β-HSD2酶活性的分子机制，研究人员进行了分子对接实验和细胞水平验证。分子对接模拟显示，BPA与MAPK蛋白具有较强的结合能力（结合能为-8.14 kcal/mol），形成包括与ILE-233氨基酸残基的氢键，而与ERK的结合较弱（结合能为-5.76 kcal/mol）。在TCMK-1（小鼠肾细胞）和HK-2（人肾细胞）细胞模型中，3μM BPA处理可显著降低11β-HSD2蛋白水平，而p38 MAPK抑制剂Adezmapimod(SB203580)预处理可有效逆转BPA对11β-HSD2表达的抑制作用。

本研究的关键技术方法包括：生物信息学分析（从GEO和CTD数据库筛选慢性肾脏病相关基因表达数据集）、小动物PET/CT成像（可视化肾脏炎症和损伤）、组织病理学染色（H&E、Masson、PAS评估肾脏结构改变）、转录组测序（Illumina NovaSeq 6000平台检测基因表达谱）、非靶向代谢组学（UHPLC-Orbitrap质谱分析代谢物）、蛋白质印迹（检测MAPK通路蛋白和11β-HSD2表达）、分子对接（模拟BPA与MAPK/ERK蛋白相互作用）以及细胞实验（HK-2和TCMK-1细胞模型验证机制）。

生物信息学分析揭示BPA诱导慢性肾脏病的分子机制

通过整合GEO和CTD数据库资源，研究人员筛选出333个与BPA诱导慢性肾损伤相关的共同差异表达基因。功能富集分析表明，BPA影响慢性肾损伤主要涉及ERK1/2级联反应的正调控、缺氧应答等生物过程，以及MAPK信号通路、类固醇激素生物合成等关键通路，为后续实验研究提供了方向。

系统评估BPA暴露对小鼠肾损伤的影响

PET/CT成像首次直观显示BPA暴露小鼠肾脏出现明显炎症反应和局部组织损伤。血液生化指标检测发现BUN显著升高，组织病理学检查观察到肾小管上皮细胞脱落、胶原纤维沉积和黏液积聚，证实BPA暴露确实引发了肾脏结构和功能损伤。

BPA暴露后肾组织转录组学改变

转录组分析发现1952个差异表达基因，KEGG富集分析显示MAPK信号通路、库欣综合征和类固醇激素生物合成通路显著富集，提示这些通路在BPA肾毒性中发挥关键作用。

BPA暴露后肾组织代谢组学改变

代谢组学分析鉴定出69种差异变化代谢物，其中皮质醇和可的松水平下降，而其代谢物5α-THF和6β-OHF水平升高，表明BPA暴露增强了皮质醇代谢。KEGG富集分析显示谷胱甘肽代谢、嘧啶代谢、HIF-1信号通路和类固醇激素生物合成通路显著改变。

整合转录组学和代谢组学分析揭示BPA诱导肾脏类固醇激素生物合成紊乱的分子机制

多组学整合分析发现17条共同富集通路，其中类固醇激素生物合成和MAPK通路被确定为BPA肾毒性的核心环节。实验验证表明BPA暴露激活p38 MAPK而非ERK1/2，并下调11β-HSD2表达，影响皮质醇代谢和醛固酮合成。

BPA通过MAPK通路诱导肾脏类固醇激素生物合成损伤的细胞验证

分子对接显示BPA与MAPK强结合，细胞实验证实BPA通过激活p38 MAPK抑制11β-HSD2表达，而p38 MAPK抑制剂可逆转这一效应，明确了BPA-p38 MAPK-11β-HSD2-类固醇激素紊乱的因果链条。

本研究通过多学科交叉的研究策略，系统揭示了BPA暴露通过激活p38 MAPK信号通路，抑制11β-HSD2表达，进而干扰肾脏皮质醇代谢和醛固酮合成，最终导致类固醇激素生物合成紊乱的分子机制。这一发现不仅阐明了BPA肾毒性的新机制，而且将环境污染物暴露与肾脏代谢性疾病联系起来，为理解BPA的健康风险提供了全新的理论框架。

研究的创新性在于首次整合生物信息学预测、多模态影像学、多组学分析和分子细胞生物学验证，系统描绘了BPA从分子识别到代谢紊乱的完整通路。特别是发现p38 MAPK/11β-HSD2轴在BPA肾毒性中的核心作用，为开发针对BPA相关肾损伤的干预策略提供了潜在靶点。

然而，研究也存在一定局限性，如未考虑遗传变异对转录组谱的影响，缺乏动物水平的MAPK通路阻断验证，以及主要关注雄性小鼠而未能评估性别特异性反应。未来研究需要在更多遗传背景模型中进行验证，并深入探讨MAPK通路在BPA肾毒性中的调控网络。

总之，这项工作深化了我们对环境污染物与肾脏代谢疾病关系的认识，为评估BPA的健康风险提供了重要科学依据，也为预防和干预BPA相关肾脏疾病提供了新思路。随着塑料制品的广泛应用，揭示BPA等环境内分泌干扰物的毒性机制，对保障公众健康具有重要的理论和实践意义。