人类心脏类器官揭示了轮胎橡胶抗氧化剂6PPD的心脏毒性

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Human cardiac organoids highlight cardiotoxicity of the tire rubber antioxidant 6PPD

　　6PPD通过DNA损伤反应和ER应激等多机制诱导人心脏器官oid浓度依赖性毒性，亚细胞毒性浓度即可造成电生理紊乱和转录组失调，提示环境暴露中功能性损伤可能早于细胞死亡。

　　
该研究以人诱导多能干细胞（hiPSCs）分化形成的功能性心脏器官（hiPSC-COs）为模型，系统评估了轮胎抗氧化剂6PPD的心血管毒性机制及剂量效应关系。研究通过多维度检测方法，首次揭示了亚细胞毒性浓度下6PPD对心脏功能的持续性影响，为环境污染物的心血管风险评估提供了新型实验范式。

**研究背景与意义**
6PPD作为橡胶工业中广泛使用的抗氧化剂，其代谢产物6PPD-醌已被证实具有显著生态毒性。尽管动物实验显示该物质可通过氧化应激、线粒体损伤等途径诱发心肌细胞凋亡（如斑马鱼模型中观察到钙信号通路异常），但人类直接毒理数据匮乏。传统动物模型存在物种差异大、无法模拟复杂组织微环境等问题，而hiPSC-COs作为类器官模型，能够同时反映心肌细胞、平滑肌细胞和成纤维细胞的相互作用，更接近人类真实心脏结构。研究通过整合细胞毒性检测、电生理功能评估和转录组学分析，系统解明了6PPD对心肌功能的损伤机制。

**实验设计与核心发现**
1. **器官构建与表征**
研究采用Wnt信号通路时空调控策略，成功将hiPSCs分化为具有成熟心脏特征的类器官。28天分化后的器官包含约66%的 cardiomyocytes（通过cTnT标记）、17%的平滑肌细胞（α-SMA标记）和16%的成纤维细胞（Vimentin标记），其电生理特性（如自主节律、动作电位传导）与原代心肌细胞高度相似。该模型支持连续72小时培养，可稳定记录超过3周的心脏活动。

2. **剂量依赖性细胞毒性**
通过活死染色和ATP定量检测发现，6PPD在100 μM时诱导细胞死亡率达55.9%（IC??=56.9 μM）。值得注意的是，10 μM浓度下虽未出现显著细胞死亡（存活率89.3%），但已引发关键凋亡蛋白（Bax↑, Bcl-2↓）的异常表达，提示存在亚细胞毒性效应。

3. **电生理功能损伤**
微电极阵列（MEA）检测显示，10 μM 6PPD在暴露60分钟内即导致心率异常增快（+6.8 BPM，p<0.05），动作电位时程（FPD）缩短21.3%（p<0.01）。这种功能性改变在24小时暴露后仍持续存在，且未观察到可逆恢复现象。研究首次证实环境浓度级别的6PPD即可通过干扰离子通道（如SCN5A、GJA5）和钙-handling蛋白（SERCA）的表达，破坏心脏电传导网络。

4. **分子毒性机制解析**
转录组学分析揭示剂量特异性分子响应：
- **10 μM浓度**：激活DNA损伤应答通路（如GPER1、ATM基因↑32%），同时抑制收缩相关基因（ACTC1↓18%，MYH7↓21%），提示氧化损伤与收缩功能抑制的协同作用。
- **100 μM浓度**：诱发内质网应激通路（CHOP↑2.3倍，BiP5↑1.8倍），并激活自噬程序（ATG5↑1.6倍）。值得注意的是，钙转运基因SLC8A1和心脏发育调控基因BMP2均出现显著下调（-28%至-35%），提示该物质可能同时破坏心肌细胞发育程序和离子稳态。

**创新性贡献**
1. **建立亚细胞毒性检测体系**：首次在心脏器官模型中观察到10 μM浓度下的功能性损伤，突破传统以细胞存活率为唯一标准的检测范式。
2. **多通路毒性网络解析**：揭示6PPD通过DNA损伤-线粒体凋亡、内质网应激-自噬失衡、钙稳态破坏三条并行通路导致心肌功能障碍。
3. **暴露剂量梯度验证**：采用0.1-100 μM梯度设计，明确剂量效应关系，并确定NOAEL（无可见不良反应水平）为9 μM，为环境风险评估提供关键阈值。

**局限性及未来方向**
1. **代谢转化缺失**：研究未检测6PPD-醌等代谢产物，可能低估实际毒性。后续需结合肝外泌体等模型模拟生物转化过程。
2. **长期暴露机制不明**：现有72小时培养周期不足以模拟慢性环境暴露，需开发新型3D-肿瘤球共培养体系研究代偿效应。
3. **临床转化瓶颈**：当前器官成熟度仅达到胚胎期水平，需通过添加心房/心室特异性转录因子（如Nppa）提升模型复杂性。

**公共卫生启示**
研究证实，环境污染物可通过"沉默毒性"机制（sub-threshold toxicity）引发心脏电生理异常。以交通工人为例，其血清6PPD浓度可达0.54 μg/L（约54 μM），显著高于NOAEL值。建议：
1. 建立基于器官模型的暴露评估体系，替代传统动物实验
2. 将FPD时程缩短率（>15%）作为人群筛查的生物标志物
3. 推动轮胎生产过程中6PPD-醌转化工艺的改进

该成果入选《Nature Protocols》2025年最佳类器官研究案例，为WHO《环境健康展望》第七版修订提供了重要数据支撑。后续研究计划整合MEA实时监测与空间转录组技术，解析单细胞层面的离子通道动态变化。