铝（aluminum,Al）是自然界广泛存在的一种金属元素,自发现以来已经得到非常广泛的应用,如食品添加剂、药品佐剂等。在食品添加剂方面,含铝化合物硫酸铝钾可作为膨松剂、稳定剂加入到食品中。由于铝属于人体非必需元素,其对生物体的毒性受到越来越多的关注,无论是体外在细胞层面上的机制探索,还是体内哺乳动物上对神经系统、肝脏等组织疾病的研究,都得到了广泛开展,但铝在机体内明确的作用机制仍然未被阐明。因此,找到铝作用的靶点及机制是减少铝毒性伤害的关键。本研究采用被广泛用于食品中的食品添加剂硫酸铝钾作为研究对象,首先在体外昆虫细胞实验探究铝对细胞毒性及作用机制;然后用哺乳动物小鼠进行体内实验,进一步借助于菌群测序、代谢组等组学分析铝对菌群及代谢产物的影响及致病机制,开创了“铝-肠-脑”轴、“铝-肠-肝”轴的作用机制新思路。主要研究结果如下:1.硫酸铝钾对草地贪夜蛾细胞（Sf9）的细胞毒性及基因表达的影响。本章以自然界广泛存在的昆虫细胞为研究对象,体外进行铝作用机制的初步探究,利用含梯度浓度铝(4.5x10-3-4.5照/ml)的培养基对Sf9细胞进行培养,发现铝的存在改变了细胞的形态,降低细胞活力,最终导致细胞凋亡,并呈浓度、时间依赖关系。提取对照组和铝处理组细胞的RNA,通过RNA-Seq转录组分析,发现铝处理组的RAPTOR、PDPK1、CRYAB和HSPA1基因表达受到抑制,导致长寿调节通路和PI3k-AKT信号通路等m TOR相关通路的改变,促进细胞凋亡。另一方面,铝离子导致了GST、HPGDS和SE基因的过表达,诱导细胞内氧化损伤,通过一系列级联反应影响细胞增殖和凋亡。此外,上调的差异基因与细胞色素P450相关通路有关,表明铝可诱导细胞色素的解偶联,催化活性氧（reactive oxygen species,ROS）的产生,从而产生毒性作用。2.硫酸铝钾对小鼠的认知及组织理化指标的影响。本章以ICR小鼠为研究对象,分为对照组、低剂量组和高剂量组,分别自由进食不含（0 g/kg）、含低剂量（20 g/kg）和高剂量（50g/kg）硫酸铝钾的饲料。体重称量发现,随着铝浓度增加,小鼠体重增长率呈下降趋势（高剂量组增长率分别为9.37%、4.98%、4.76%、1.14%）,说明铝抑制了小鼠的正常生长。第60和120天的血常规分析显示,低剂量组血液中各种白细胞的变化不大,高剂量组则有了显著变化,说明铝是一种慢性毒性物质,与浓度和作用时间有关,在持续高浓度作用下,血液免疫细胞产生了较强的免疫反应。动物行为学测试中,旷场实验和高架十字测试结果表明,铝对小鼠的焦虑情绪没有产生显著影响;新物体识别和水迷宫则发现,铝处理组的小鼠空间记忆方面的认知出现了下降,说明铝导致了小鼠的认知功能障碍。组织的HE染色切片可以看出,脑部和肝脏有炎症和病变现象存在,说明铝引起小鼠神经性疾病和肝损伤。肝脑组织的氧化应激相关指标显示,含铝组的MDA含量显著升高（高剂量组肝脑分别提高31.52%、14.53%）,而CAT、GSH-Px等酶活显著降低,MAO、TC等功能指标出现异常,说明了铝参与促进了肝、脑组织的氧化损伤,并导致肝脏中脂代谢异常及大脑认识功能下降;肝和脑组织中促炎因子TNF-a、IL-1P含量结果表明,含铝组脑组织中2种促炎因子相对于肝脏变化更显著（分别提高39.80%、51.14%）,且呈浓度依赖性,说明大脑是铝作用的重要靶点组织;荧光定量PCR检测了Cysltrl、Nfe2l2、Hmoxl等基因的表达,从基因层面反应了铝对小鼠炎症疾病的影响。3.硫酸铝钾对小鼠粪便中菌群组成的影响研究。本章通过对小鼠的粪便进行高通量测序,分析了各组粪便中微生物的组成及差异。a多样性表明了随着铝处理组剂量增加,微生物多样性先增加和减少,对菌群造成了较大影响。P多样性显示了各组间菌群物种组成和群落结构差异显著,产生明显变化。在细菌门水平上筛选出了3个最丰富的细菌群落分别是厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门,平均占比分别为对照组97.59%,低剂量组94.71%、高剂量组96.25%。在属水平上筛选到丰度最高的前4个有明确分类名称的属分别为:乳杆菌属、双歧杆菌属、葡萄球菌属、苏黎世杆菌属。最后,根据差异菌种丰度分析,在种水平上筛选出了假长双歧杆菌、尼布尔葡萄球菌、鼠乳杆菌、罗伊氏乳杆菌四种微生物,结合苏黎世杆菌属,进一步的分析说明了该五种微生物可能是铝对肠道菌群扰动作用的主要靶点。4.硫酸铝钾对小鼠粪便中代谢物的影响研究。本章对小鼠粪便中的代谢物进行气相色谱-质谱（Gas Chromatography-Mass Spectrometer,GC-MS）检测和差异代谢物生信分析。主成分分析模型PLS-DA概览显示R2Y和Q2的值分别为0.983和0.794,说明该模型有良好的可解释和可预测性。从对照组、低剂量组、高剂量组三组间的比较分析中筛选出82种显著差异代谢物,涉及主要通路有化学结构变换、氨基酸代谢通路、生物降解和代谢、脂代谢、其他次生代谢产物的合成等。结合三组组间的显著性差异趋势及丰度,筛选出赖氨酸、脯氨酸、腐胺、5-羟色胺和胆固醇五种代谢物,进一步分析揭示,这五种代谢物是铝离子通过干扰肠道菌群组成,导致菌群及宿主氨基酸、脂质代谢通路异常,从而促进炎症发生的重要物质。5.多组学联合分析小鼠粪便中微生物与代谢物的关联作用。本章从微生物的门、科、属和OTU水平,在整体及差异的层面与代谢组的数据进行关联分析。整体层面上,通过普氏、多元回归、共现概率、相关性分析,发现高剂量组和对照组间的微生物组学丰度与代谢组学表达量的趋势显著一致,高剂量组微生物和代谢物之间的变化趋势一致性也是三组中最高,说明高剂量铝作用下的微生物和代谢物在表达量趋势上接近。在差异层面上,分析得到了胆固醇与乳杆菌属呈负相关,与苏黎世杆菌属呈正相关;5-羟色胺、腐胺、赖氨酸与乳杆菌属呈正相关,与苏黎世杆菌属呈负相关,与前2章的分析结果一致。通过联合分析,可以得到更多关联性显著的微生物和代谢物,从而为后续进一步的作用靶点及通路筛选提供明确方向。本研究基于多组学探索了铝在细胞层面对机体的作用通路,及通过改变肠道菌群和代谢物丰度,进而对小鼠健康产生影响的机制,为后续进一步阐明铝的作用机制打开新的思路。