近年来，全氟和多氟烷基化合物（PFAS）引起的环境污染及健康危害受到全球广泛关注，其中全氟辛酸（PFOA）是研究和使用最广泛的一类全氟烷基物质。2017年，WHO的国际癌症研究机构（IARC）将PFOA列为2B类致癌物；2019年，PFOA被列为《斯德哥尔摩公约》附件A中的POPs，该公约的缔约国已承诺逐步淘汰PFOA。然而，欧盟、亚洲等国家仍然签署了一些豁免条款，并在特定领域继续生产和使用PFOA。流行病学研究表明，PFOA暴露导致的不良结局包括：肝损伤、免疫抑制、甲状腺功能异常及癌症等。其中，肝损伤是最常见的不良结局之一，表现为血清中ALT升高，相对肝重的增加以及病理的炎细胞浸润、脂肪变性等。
目前关于PFOA导致肝损伤的机制，主要包括以下4个方面：（1）核受体激活导致脂质代谢上调；（2）PFOA产生氧化应激和扰乱激素平衡；（3）PFOA具有细胞毒性，导致细胞凋亡；（4）PFOA引起炎症和免疫响应。其中，对于第一个机制而言，PFOA会通过激活PPAR等核受体来上调脂肪酸代谢，促进脂质积累。而已有研究结果显示，PFOA暴露后脂肪酸降解通路亦会极大地上调，进而通过线粒体能量代谢消耗脂肪酸。然而，PFOA暴露后，脂质仍然发生积累。因此，说明在PFOA导致的肝脏代谢重编程中，除了PPAR等激活、脂质代谢上调外，仍有其他通路与机制未被阐明。
基于此，本研究进行了PFOA诱导肝损伤模型的建立和肝损伤效应评价；通过多组学分析并发现导致肝损伤的关键调控因子和关键代谢通路；通过体内和体外实验验证关键调控因子的作用；并探索了关键代谢通路与免疫响应之间的相关性和潜在调控机制（图1）。
首先，对不同剂量暴露下的小鼠肝脏进行代谢组分析，筛查显著变化的差异通路，发现精氨酸代谢是唯一在三个剂量下都显著的代谢通路；通过转录组分析，发现显著变化的通路包括脂肪酸相关的通路、PPAR信号通路和精氨酸生物合成、补体级联通路。
基于以上代谢组和转录组特征，进行代谢轮廓分析（图2）。PFOA暴露之后，脂肪酸降解通路发生极大上调。然而当脂肪酸进入线粒体并发生β氧化后，需要继续进入TCA循环以产生能量；然而在本研究中，TCA循环没有极大的上调，相反呈现被抑制的趋势。这就从代谢上解释了PFOA导致脂质积累和肝损伤的原因。进一步分析代谢组和转录组数据，发现精氨酸代谢通路是显著下调的，而精氨酸代谢和TCA循环紧密相关；且已有的基础生物学研究发现，精氨酸可以通过调控TCA循环，影响线粒体功能。于是，推测精氨酸生物合成通路的下调在该过程中起到重要作用。
研究人员进一步通过体外的细胞实验验证了精氨酸通路的下调。对不同剂量PFOA进行人肝细胞的qPCR实验，以精氨酸代谢的抑制剂MDLA作为阳性对照，来分析精氨酸通路中关键基因的表达（图3）。结果表明，在不同暴露剂量下，人肝细胞MIHA中的
ARG1
、
ASL
均发生显著下调。
为了进一步验证精氨酸代谢的下调确实调控了PFOA导致的肝损伤，研究人员通过对小鼠回补精氨酸来观察精氨酸对肝损伤表型的变化，结果证明了精氨酸与PFOA导致的肝损伤之间的因果关系，即精氨酸可有效缓解PFOA导致的肝损伤（图4）。
由于精氨酸在免疫调控中起到重要作用，而PFOA暴露之后，精氨酸与免疫的相互作用仍然未知。因此，本研究视图探索在PFOA导致的肝损伤中，精氨酸代谢对细胞因子的潜在调控规律。对PFOA暴露之后的23种细胞因子进行了测定，发现其中有5种细胞因子显著上调，他们分别是：IL-1β、MCP-1、KC、MIP-1α和MIP-1β。接着，对这5种显著升高的细胞因子与差异的代谢通路进行相关性分析，发现有3种细胞因子与精氨酸代谢呈现负相关关系，它们分别是MCP-1、MIP-1α、IL-1β（图5）。
图5 精氨酸代谢和3种显著升高的炎性因子呈现负相关关系
最后，为了明确精氨酸代谢与这三种细胞因子的潜在调控关系，本研究对小鼠进行精氨酸回补，并测定这三种细胞因子的表达变化。结果发现，精氨酸回补后肝脏中的MIP-1α和MCP-1发生了显著下调，而IL-1β没有明显变化。即PFOA暴露后，精氨酸可以直接或间接的下调肝脏中的MIP-1α和MCP-1，而IL-1β不受精氨酸调控。由于已有研究表明，MIP-1α和MCP-1可以活化和募集巨噬细胞等免疫细胞进入肝脏，因此，推测精氨酸可能通过下调MIP-1α和MCP-1而减少炎细胞在肝脏的募集。于是，通过F4/80免疫组化来观察精氨酸回补后巨噬细胞在肝脏中的募集情况。由图6可知，回补精氨酸后，F4/80阳性细胞显著减少。该结果验证了精氨酸可直接或间接的下调MIP-1α和MCP-1而减少炎细胞在肝脏的募集，最终缓解肝损伤。
精氨酸代谢在PFOA暴露导致的肝损伤中的作用机制见图7。该研究结果为PFOA导致肝损伤的毒性机制提供了新的理论依据。
