南方科技大学考研，南方科技大学考研难度
直径小于0.1 μm的塑料颗粒（纳米塑料）已被广泛制造并用作各种产品中的工程纳米材料。目前，纳米塑料已经被用于众多消费和个人护理产品，例如含微珠的洗发水。此外，人类活动所排放的大量塑料废物在紫外线辐射、水解过程、机械磨损和生物过程的作用下不断降解，释放出二次纳米塑料。纳米塑料的广泛应用和二次生产已导致环境污染，在水环境中塑料的可测量浓度可达0.04 mg/mL。而这些塑料颗粒可以通过食物链在更高营养级的生物物种中实现生物积累，最终对人体产生影响。目前，纳米塑料对人类健康的影响尚不明晰。
纳米塑料通常是从被塑料污染的食物中被人体摄入。直径小于100 nm的纳米塑料可以穿过细胞膜进入淋巴和血液循环，并在各种组织和器官中积累。这些纳米塑料会在肝脏中经历代谢过程。吸入是纳米塑料进入人体的另一个主要方式，悬浮在空气中的纳米塑料可直接被吸入呼吸系统并深入肺部。目前的研究结果表明，纳米塑料的内化发生在各种人类细胞系中，而纳米塑料对敏感细胞器的损害可能是纳米塑料具有细胞毒性的一种主要机制。内质网和线粒体是至关重要的细胞器，在功能上相互协调，它们的相互作用调节了许多细胞内过程。
目前，纳米塑料诱导的肝、肺器官内源性代谢物的细胞反应尚未被很好地研究。因此，需要在细胞水平上评估纳米塑料的毒性和相关的代谢途径。
近日，香港浸会大学蔡宗苇团队联合南方科技大学郑春苗首次研究了80 nm纳米塑料对正常人肝 (L02) 细胞和肺 (BEAS-2B) 细胞中线粒体功能和代谢途径的影响。纳米塑料虽然不会导致细胞的大量死亡，但纳米塑料可以进入细胞并导致线粒体损伤，如线粒体活性氧的过量产生、线粒体膜电位的改变和线粒体呼吸受抑制。作者通过非靶向代谢组学证实，人体内受纳米塑料影响最大的过程与线粒体相关。L02细胞的代谢功能比BEAS-2B细胞更容易受到纳米塑料的影响，尤其是在低纳米塑料浓度下。本研究揭示了靶人体细胞中纳米塑料 诱导的线粒体功能障碍和代谢毒性途径，并深入探讨了纳米塑料对人类健康可能造成的不良后果。该研究以题为“Metabolomics Reveal Nanoplastic-Induced Mitochondrial Damage in Human Liver and Lung Cells”的论文发表在最新一期《 Experimental Science & Technology》上。
纳米塑料对细胞活性的影响和内化作用
实验结果表明，纳米塑料的低浓度组的L02细胞活性略有增加，而高浓度组显着降低（图 1A，C）。活性的增加表明L02细胞被纳米塑料刺激并产生了相应的解毒反应，以对抗外界的不良刺激。较高浓度的纳米塑料对L02细胞有直接的毒性作用，导致活力降低。而纳米塑料的暴露不会引起BEAS-2B细胞活力的显着变化，这表明纳米塑料没有引起BEAS-2B 细胞的大量死亡。
接着，作者用荧光标记法测定了纳米塑料的细胞内化。结果表明，荧光纳米塑料以剂量依赖性方式在L02和BEAS-2B细胞的细胞质中积累。纳米塑料的内化在较高浓度组中很明显。实验结果中，产生影响的最低浓度 (0.0125 mg/mL) 低于报告的水环境中0.04 mg/mL的纳米塑料浓度。
图1. 正常人肝L02和肺BEAS-2B细胞系对80 nm 纳米塑料的吸收及其在一系列浓度下的细胞活性。
纳米塑料引起的线粒体损伤
作者通过研究活性氧（mROS）、线粒体膜电位（MMP）和线粒体呼吸，评估了纳米塑料对L02和BEAS-2B细胞中线粒体的功能产生的影响。mROS的过量产生被认为是线粒体损伤的驱动因素之一。在L02细胞中，即使是低浓度的纳米塑料，mROS的产生随着纳米塑料以剂量依赖性方式增加（图 2A）。相同情况下，在BEAS-2B细胞中观察到mROS的产生为略有增加（图 2B）。肝细胞和肺细胞中mROS产生的这些差异可能是因为肺为血液提供高浓度的氧气，这种生物学功能可能导致肺细胞比其他细胞系产生更大的抗氧化反应。这表明纳米塑料的暴露有助于产生促氧化环境，尤其是在L02细胞中。
图2. NP诱导的mROS产生。
线粒体相关毒性途径的破坏
三羧酸循环是细胞能量代谢的核心，为细胞呼吸提供能量。实验结果表明，纳米塑料处理的L02细胞的三羧酸循环的一些内源性生物标志物（如苹果酸）的含量增加，而其他细胞的含量略有下降，如富马酸盐（图 3）。经高浓度纳米塑料处理后，BEAS-2B 细胞的柠檬酸盐含量显着降低，但富马酸盐含量增加（图 6B，C）。此外，富马酸盐的积累会导致mROS 浓度增加，从而导致线粒体呼吸链失衡。三羧酸循环中NAD+和NADH之间的不平衡（图 6），会扰乱ATP的生成并抑制呼吸，这两者都是线粒体功能障碍的特征。
图3 . 纳米塑料扰乱了三羧酸循环、谷胱甘肽代谢和嘌呤代谢的代谢途径。
【小结】
该工作首次为正常人体细胞中线粒体暴露于纳米塑料环境中的相关反应途径和代谢机制提供了新的见解。结果表明，纳米塑料可以进入细胞并导致线粒体损伤，而不会导致大量细胞的死亡。作者使用非靶向代谢组学证实线粒体是L02细胞和BEAS-2B细胞中对纳米塑料暴露最敏感的细胞器，并揭示了它们的纳米塑料毒性代谢机制。L02细胞的代谢功能比BEAS-2B细胞更容易受到纳米塑料的影响，尤其是在低纳米塑料浓度下。线粒体损伤可能会导致细胞并最终导致器官组织出现功能障碍。纳米塑料的污染是十分复杂的，由于纳米塑料的形状、存在时间以及与环境中其他有毒化学物质共存时间的变化，纳米塑料对环境和人类健康的实际不利影响可能要大于本研究中的实验结果。这项研究为纳米塑料导致的毒性途径和人类细胞系中潜在的毒性机制提供了新的见解。
文章链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.2c03980
来源：高分子科学前沿
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