《Archives of Toxicology》：Chemicals in plastics differentially affect the transcriptome of MCF-7 breast cancer cells
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本研究针对塑料中溶出化学物毒理学数据匮乏的问题，研究人员采用高内涵转录组学（HTTr）技术，在MCF-7乳腺癌细胞中系统评估了9种塑料相关化学物、1种抗菌剂和2种染料的毒性效应。研究发现，尽管多数化学物体外毒性强度相近，但其对雌激素受体α（ERα）的调控机制存在显著差异：结构类似双酚A（BPA）的化合物普遍激活ERα信号，而非BPA样化合物则多呈现抑制作用。该工作证实了HTTr用于化学物筛选的重现性价值，支持对ERα活性塑料化学物进行分组评估，并强调了进一步评估塑料化学物健康风险的必要性。
在全球塑料年产量超过4亿吨的今天，我们日常生活中几乎无处不在的塑料制品，在带来便利的同时，也悄然带来了潜在的健康风险。塑料中含有大量添加剂，如增塑剂、稳定剂、阻燃剂、着色剂等，它们并非牢固地结合在聚合物骨架上，可能从中溶出，进入环境乃至人体。然而，在已知的超过16,000种塑料化学物中，绝大多数缺乏充分的毒理学评估，其对人类健康的潜在风险，特别是内分泌干扰效应，仍是未知领域。其中，双酚A（BPA）是研究相对较多的一个，它作为一种内分泌干扰物，能与雌激素受体α（ERα）相互作用，而ERα在乳腺等激素敏感组织中扮演关键角色，并与乳腺癌的发生发展密切相关。随着BPA在部分产品（如婴儿奶瓶）中的使用受到限制，其各种替代物被广泛应用，但这些“BPA类似物”的安全性如何？它们是否与BPA有着相似的作用机制？解答这些问题，对于评估塑料化学物的整体健康风险至关重要。
在此背景下，研究人员利用新兴的评估方法（New Approach Methods, NAMs），特别是具有可扩展性的高内涵转录组学（High-Throughput Transcriptomics, HTTr），对一系列数据匮乏的塑料相关化学物进行了系统性筛查。本研究在过表达ERα的MCF-7人乳腺癌细胞模型中进行，旨在对这些化学物的毒理学效力进行排序，并识别具有潜在雌激素活性的物质。相关研究成果发表于《Archives of Toxicology》。
研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先，利用MCF-7细胞系进行体外暴露实验，细胞在无酚红培养基中使用 charcoal–dextran stripped FBS 培养以消除背景雌激素干扰，暴露于包括BPA、9种塑料相关化学物、1种抗菌剂（BTH）和2种染料（PRed, TBPB）在内的多种物质，浓度跨越0.001至50 μM范围，持续48小时。其次，采用模板寡核苷酸测序（TempO-Seq?）技术进行全转录组基因表达谱测定，这是一种适用于高通量筛选的转录组学方法。再次，通过细胞活力测定（CellTiter-Blue assay）排除细胞毒性浓度。最后，进行了复杂的数据分析，包括：使用R-ODAF（Omics Data Analysis Frameworks）管道和DESeq2进行数据处理与差异表达分析；应用一系列已发表的转录组生物标志物（biomarkers）评估ERα活性及多种细胞应激反应通路（如NRF2、HSF1、MTF1等）的扰动；利用基准浓度（Benchmark Concentration, BMC）建模推导一般毒性、通路水平和ERα特异性的转录组效应起始点（transcriptomic Points of Departure, tPODs）；并借助Ingenuity Pathway Analysis（IPA）软件进行通路富集和上游调控因子分析，以探索毒性作用机制。
结果
细胞活力与数据质控
细胞活力实验确定了导致细胞毒性（活力低于对照50%）的暴露条件，这些浓度在后续转录组分析中被排除。测序数据经过严格质控，确保了分析的可靠性。
转录组数据概览
所有测试化学物均显示出转录活性，能够引发基因表达的改变。符合BMC建模条件的基因数量在化学物间存在差异，从几十到几百个不等，表明它们的生物活性强度不同。基因积累图直观展示了不同化学物引发最早100个基因发生浓度依赖性变化的效力排名。
转录组生物标志物激活
生物标志物分析揭示了化学物对特定通路的扰动模式：
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ERα生物标志物激活：大多数结构类似BPA的塑料化学物（如BPA、BPE、BPK、BPM、DA-BPA、THPE）激活了ERα生物标志物，这与阳性对照17β-雌二醇（E2）的效果一致。相反，一些非BPA样化学物（如AO425、AO2246、PA08、BTH）则抑制了该生物标志物，提示它们可能具有ERα拮抗活性。TBBPS仅在最高浓度下显示ERα活性，而PRed和TBPB未显示ERα活性。
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细胞应激反应与增殖：在测试的最高浓度下，多种化学物激活了两个或更多的细胞应激反应生物标志物（如HIF1α、NRF2、MTF1、XBP1），并抑制了细胞增殖生物标志物，这被解读为出现了明显的细胞应激反应。这些浓度被视为具有过度细胞毒性，也从后续的BMC分析中过滤掉。
转录组效应起始点（tPOD）推导
研究人员采用了多种方法计算tPODs，以量化化学物的毒理学效力：
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一般毒性效力排序：无论采用第25个排序基因的BMC、最低通路5th百分位BMC，还是最低一致性反应剂量（Lowest Consistent Response Dose, LCRD）作为tPOD，效力排序结果基本一致。双酚K（BPK）是效力最强的化学物，其次是塑料添加剂08（PA08）和BPA。而TBBPS、TBPB和PRed的效力最弱。
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基于ERα生物标志物的效力排序：对于能激活ERα的生物标志物并满足最低基因响应条件的化学物，计算了其ERα特异的5th百分位BMC。BPK同样在激活ERα方面效力最强，其ERα tPOD最低，其次是BPA和BPE。
Ingenuity通路分析
对符合BMC模型的基因进行通路分析，进一步阐明了作用机制：
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通路扰动：大多数BPA样化学物与E2类似，激活了与ER信号传导、氨基酸代谢、翻译过程等相关的通路。而非BPA样化学物扰动的通路较少，且常常在ER和细胞周期相关通路上表现出与BPA样化学物相反的预测方向（抑制）。
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上游调控因子：BPA样化学物（如BPK、BPE、DA-BPA）显著激活了与E2和BPA相同的上游调控因子（如ESR1本身），这支持了它们通过相似机制发挥作用的观点。而非BPA样化学物的上游调控因子预测通常较弱或不显著。
结论与讨论
本研究通过HTTr系统评估了多种数据匮乏的塑料相关化学物在MCF-7细胞中的毒性。主要结论包括：
- 1.
体外效力相近但机制迥异：尽管大多数测试的塑料化学物体现出相近的一般毒理学效力（tPODs在一个数量级内），但它们在调控ERα方面存在根本差异。结构上与BPA相似的化学物（具有双酚结构和对位羟基取代）普遍作为ERα激动剂激活该受体；而具有不同官能团（如邻位羟基取代）的非BPA样化学物则倾向于表现为ERα拮抗剂。
- 2.
效力排序与结构启示：BPK是效力最强的ERα激活剂，其次是PA08和BPA。值得注意的是，高分子量的PA08展现出较高的效力，挑战了“高分子量化合物生物惰性”的常规假设。效力最弱的化学物是那些不激活ERα的物质。
- 3.
高通量技术的重现性与应用价值：该研究结果与团队前期的HTTr工作高度一致，证实了HTTr用于化学物筛选的重现性。转录组生物标志物、多种tPOD推导方法以及通路分析相结合的策略，为化学物的效力排序、机制探索和分组（read-across）评估提供了有力工具。
- 4.
对健康风险评估的意义：研究结果强调，许多BPA替代物可能具有与BPA相同甚至更强的雌激素活性，这支持将ERα活性的塑料化学物归为一类进行联合评估。同时，研究也揭示了塑料化学物在较高浓度下可引发广泛的细胞应激反应。这些发现凸显了对塑料化学物，特别是大量数据匮乏的化学物，进行进一步毒理学评估的迫切性，为相关的人类健康风险评估提供了重要的科学数据。
