生物体应对环境刺激、维持全身动态平衡需多个器官协同作用，阐明生物分子在细胞和器官间的代谢通讯是理解生物与环境相互作用的关键。基于质谱成像(Imaging Mass Spectrum，IMS)的空间组学技术可在接近细胞分辨率下对生物分子特性进行分析，为阐明生物体在环境因素刺激下的复杂调控机制研究提供可能性，已被广泛应用于环境毒理等研究。本课题组前期研究发现大气细颗粒物(PM2.5)的孕期暴露导致子代认知行为障碍以及多器官损伤，但分子机制尚未明确（Science Bulletin,2021,66, 578）。网络分析是探寻多器官、多尺度下复杂分子作用的有力工具，目前亟需能够应对多组学数据的网络分析算法，以阐述疾病进程中的器官代谢异质性、代谢重编程等问题。
该研究提出了基于IMS数据的多尺度网络策略(iMS2Net)，采用孕期PM2.5暴露的小鼠胎儿7个器官的IMS数据，通过对生物分子间的相互作用进行多尺度网络建模分析，从代谢物丰度和代谢物-代谢物相关性两方面，揭示了小鼠胚胎应对PM2.5暴露的多器官代谢协同反应，为环境毒理学研究提供新方法和新思路。
为探究PM2.5孕期暴露所引起的细胞和器官水平的代谢扰动，研究人员基于代谢物丰度和代谢物-代谢物相关性两个角度，定义了细胞、器官特异性差异表达离子(DEI)和差异相关性网络(DCN)，进行了器官代谢表型相似性分析、器官代谢脆弱性分析、器官代谢共变性分析以及器官代谢的熵分析。
(1) 器官代谢表型相似性分析
研究人员构建了对照组和PM2.5暴露组各器官的细胞(像素)特异性DCN，用于定量单个细胞与给定参考器官之间的代谢物相关性差异，并以此构建器官相似性网络。实验结果发现，PM2.5暴露组大部分器官间的代谢物相关性得到显著增强，表明小鼠胎儿在应对环境刺激时存在多器官的代谢协同响应。此外，与健康对照组相比，PM2.5暴露显著增强了心脏-肝脏以及心脏-肠之间的代谢表型相似性，而减弱了肝脏-胸腺之间的代谢表型相似性(图1)。
图1. 多器官代谢表型相似性网络。
(a)对照组；(b)PM2.5暴露组
（图源：Dong, et al., iScience, 2023）
(2) 器官代谢脆弱性分析
研究人员推测，小鼠胎儿通过代谢重编程(包括代谢物丰度的空间分布和代谢物-代谢物相互作用)实现细胞间和器官间新的代谢稳态，并以此对应PM2.5孕期暴露。因此，研究人员以对照组器官为参考，计算PM2.5暴露组各器官的细胞特异性DEI和DCN，以此分析各器官的代谢脆弱性。分析结果显示，PM2.5暴露在不同程度上诱导了代谢物丰度及其相互作用的变化(图2a和2c)，且两个方面的受扰动趋势一致。PM2.5暴露对各器官的影响程度从高到低依次为：胸腺、肝脏、脑、海马结构、肺、心脏和肠(图2b和2d)。
图2. PM2.5对器官代谢的影响。7个器官中细胞特异性DEI数量的空间分布
(a)和小提琴图(b)；7个器官中细胞特异性DCNs边数量的空间分布(c)和小提琴图(d)。
（图源：Dong, et al., iScience, 2023）
(3) 器官代谢共变性分析
为了全面了解PM2.5暴露后各器官之间的代谢共变性(metabolic covariation)，研究人员计算了PM2.5暴露组各器官的共变性DEI和DCN，并计算两两器官中相同的DEI和DCN子网，得到器官共变性网络(图3)。对于PM2.5的环境刺激，在代谢物丰度上(图3a)，各器官的共变性从强到弱分别是：胸腺、脑、脑部海马区、肺、肝、心脏和肠，这一结果与细胞特异性结果具有一致性；此外，与其它器官相比，胸腺、脑和脑部海马区三者在应对PM2.5刺激时，表现出更强的代谢协同性。在代谢物相关性上(图3b)，各器官的共变性则表现出与上述结果相反的趋势：PM2.5暴露诱导了肠组织代谢物相关性的显著改变。这些结果提示：在PM2.5环境暴露下，机体各器官的代谢重编程存在代谢物丰度和代谢物相互作用两个层面的共变机制。
图3. 器官共变网络。
(a)代谢物丰度角度(b)代谢物-代谢物相关性角度。节点大小和边宽表示共变DEI的数量/共变DCN的边数量，数值显示在节点或边上
（图源：Dong, et al., iScience, 2023）
(4) 器官代谢的熵分析
为全面了解PM2.5对各器官内部代谢稳态的影响，研究人员定义了两种信息熵，即离子熵和表型熵，分别从代谢物丰度分布和细胞代谢表型两个维度，评估器官内代谢稳态的受扰动情况。表型熵的分析结果显示：PM2.5暴露引起小鼠胎儿各器官不同程度的代谢紊乱(图4a)，这是PM2.5暴露诱发全身性疾病的重要原因之一；相对于其它器官，胸腺的表型熵改变最显著，其次是肝脏(图4b)。这意味着，PM2.5暴露可能引起各器官代谢物相关性的破坏。离子熵的分析结果显示：PM2.5暴露后，各器官内的离子熵变化范围明显扩大，即同时存在离子(代谢物)丰度紊乱程度加剧和减小，表明代谢物间的调控失衡。除了心脏和肠以外，大多数器官的离子熵总体上都增加(图4c)。有趣的是，m/z值低于900 Da的离子和m/z值高于900的离子，其紊乱程度的改变呈现不同的趋势(图4d)。
图4. 7个器官的代谢熵。
(a)表型熵的小提琴图，左：对照组，右：PM2.5暴露组；(b)表型熵的相对排序；(c)离子熵的小提琴图，左：对照组，右：PM2.5暴露组；(d)器官离子熵热图，上：对照组，下：PM2.5暴露组。
（图源：Dong, et al., iScience, 2023）
iMS2Net是基于细胞和器官对代谢状态的特异性反应模式进行建模和分析，该方法通过分析细胞和器官尺度下的代谢物丰度及其相互作用，以探索孕期PM2.5暴露对小鼠胚胎发育的影响。研究发现，孕期PM2.5暴露造成小鼠胎儿细胞和器官水平不同程度的代谢紊乱。PM2.5暴露显著减弱了心脏-肝脏以及心脏-肠之间的代谢特异性，增强了肝脏-胸腺之间的代谢特异性，并且脑、胸腺和脑部海马区在应对PM2.5暴露时具有最强的代谢协同性。本研究结果、思路和方法为探索和阐明环境污染物的毒性新机制提供了重要信息。
