ES&T | 微塑料的生物老化及促炎新機(jī)制
近年來隨著微塑料在人體中被檢測到的證據(jù)越來越多,微塑料的健康風(fēng)險(xiǎn)也備受關(guān)注。然而已報(bào)道的相關(guān)研究多聚焦于微塑料原始狀態(tài)的健康風(fēng)險(xiǎn),或是致力于模擬微塑料在環(huán)境介質(zhì)中的老化過程及其環(huán)境老化后的毒理學(xué)效應(yīng)。對(duì)微塑料進(jìn)入機(jī)體后長期滯留引發(fā)的“生物老化”特征及其毒理學(xué)效應(yīng)仍缺乏系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。
12月30日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院李洋研究員團(tuán)隊(duì)在Environmental Science & Technology發(fā)表研究論文,系統(tǒng)分析了微塑料在體內(nèi)長期滯留過程中的“生物老化”理化表征變化,闡明生物老化過程能夠增強(qiáng)微塑料與關(guān)鍵炎癥信號(hào)分子相互作用,賦予微塑料“特洛伊木馬”功能,進(jìn)而激活非典型炎癥信號(hào)通路,放大炎癥反應(yīng),最終加重機(jī)體炎癥病理。該研究為闡明微塑料體內(nèi)長期命運(yùn)與其健康風(fēng)險(xiǎn)機(jī)制之間的內(nèi)在聯(lián)系提供了重要證據(jù)。
以往關(guān)于微塑料老化的認(rèn)知,主要集中于其在自然環(huán)境中所經(jīng)歷的光氧化、熱降解等過程,即“環(huán)境老化”。然而,當(dāng)微塑料通過攝入等途徑進(jìn)入人體后,由于其穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì),難以被生物降解,部分可能長期滯留于組織內(nèi)。在體內(nèi)生理環(huán)境下,微塑料可能經(jīng)歷持續(xù)數(shù)年的“生物老化”過程。然而生物老化對(duì)微塑料顆粒性質(zhì)的影響,以及生物老化微塑料所引發(fā)的生物學(xué)效應(yīng),長期以來一直是一個(gè)尚未揭示的科學(xué)黑箱。另一方面,現(xiàn)有毒理學(xué)研究較多關(guān)注微塑料浸出液或其負(fù)載重金屬等化學(xué)物質(zhì)后的毒性,卻忽視了微塑料與胃腸道等復(fù)雜生理環(huán)境中豐富的生物活性分子之間可能發(fā)生的特異性相互作用。值得注意的是,此類相互作用恰恰可能主導(dǎo)微塑料的長期健康風(fēng)險(xiǎn)。在腸腔及炎癥相關(guān)微環(huán)境中,脂多糖(LPS)作為革蘭氏陰性菌細(xì)胞外膜的關(guān)鍵成分,屬于病原體相關(guān)分子模式(PAMP),在腸屏障受損或菌群失衡等情況下更容易觸發(fā)宿主的炎癥反應(yīng)。因此,探究生物老化微塑料與LPS的相互作用具有明確的生理學(xué)意義。
基于此,本研究旨在系統(tǒng)探究微塑料在體內(nèi)生理環(huán)境中的長期生物老化效應(yīng)。研究團(tuán)隊(duì)利用在胃腸模擬液環(huán)境中生物老化12個(gè)月的聚苯乙烯微塑料,首次直接觀察并檢測其生物老化過程中的理化表征變化。結(jié)果顯示,長期體內(nèi)環(huán)境暴露會(huì)深刻重塑微塑料表面,使其發(fā)生氧化、親水性增強(qiáng),尤其是表面粗糙度顯著提升。這些界面理化性質(zhì)的改變,預(yù)示著其與生物分子相互作用能力可能發(fā)生根本性變化。為精確量化生物老化微塑料與LPS的相互作用,本研究基于生物力學(xué)檢測,聯(lián)合原子力顯微鏡、分子動(dòng)力學(xué)模擬及生物層干涉技術(shù)等多種手段證實(shí),生物老化后增加的表面粗糙度,顯著增加微塑料與LPS之間的結(jié)合力。并且這種增強(qiáng)效果使老化微塑料能夠更大量且穩(wěn)定地吸附LPS,在其表面形成更厚且致密的“LPS冠層”,使其從惰性顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)榇钶d促炎分子的“特洛伊木馬”。當(dāng)這些負(fù)載厚重LPS冠的老化微塑料被巨噬細(xì)胞識(shí)別并攝取后,微塑料載體可將LPS遞送至細(xì)胞質(zhì)內(nèi)部。這一過程使得LPS繞過了傳統(tǒng)細(xì)胞膜Toll樣受體4介導(dǎo)的識(shí)別路徑,在胞內(nèi)直接被炎癥蛋白酶caspase-11識(shí)別,進(jìn)而激活非經(jīng)典炎癥小體通路:切割激活Gasdermin D并在細(xì)胞膜上形成孔道導(dǎo)致細(xì)胞焦亡;協(xié)同激活經(jīng)典NLRP3炎癥小體,促進(jìn)caspase-1對(duì)白細(xì)胞介素-1β前體的切割與成熟,成熟IL-1β經(jīng)Gasdermin D孔道大量釋放到細(xì)胞外,最終放大炎癥反應(yīng)。
進(jìn)一步,研究團(tuán)隊(duì)選取葡聚糖硫酸鈉(DSS)誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎模型,對(duì)生物老化微塑料負(fù)載LPS所產(chǎn)生的“特洛伊木馬效應(yīng)”及其在腸道炎癥中的影響進(jìn)行了檢測。結(jié)果顯示,口服負(fù)載LPS的生物老化微塑料顯著加劇了疾病嚴(yán)重程度,表現(xiàn)為更明顯的體重下降、結(jié)腸長度縮短及腸道屏障損傷加重。這些結(jié)果進(jìn)一步證實(shí),生物老化微塑料作為一種相對(duì)惰性的載體,可在腸道中吸附并攜帶LPS等強(qiáng)促炎因子。當(dāng)負(fù)載LPS的生物老化微塑料被巨噬細(xì)胞攝取后,可將原本不易進(jìn)入細(xì)胞的毒素“搭載”至胞內(nèi),從而增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)炎癥信號(hào)的激活與放大,最終加劇炎癥反應(yīng)并阻礙組織修復(fù)。
本研究首次完整揭示了微塑料在生理環(huán)境中的長期生物老化過程,及其對(duì)顆粒界面性質(zhì)與炎癥信號(hào)傳遞能力的重塑作用。生物老化改變了微塑料的表面特性,使其從相對(duì)“惰性顆粒”轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌颉皵y帶并遞送促炎信號(hào)”的載體。載體被巨噬細(xì)胞攝取后,可將表面結(jié)合的促炎分子轉(zhuǎn)移至細(xì)胞內(nèi)部,從而在細(xì)胞內(nèi)觸發(fā)并放大免疫反應(yīng),最終加劇炎癥并擴(kuò)展組織損傷。
本研究從環(huán)境毒理學(xué)角度闡明:顆粒物的健康風(fēng)險(xiǎn)并非僅由其初始理化性質(zhì)決定。進(jìn)入生物體后,顆粒經(jīng)歷“生物老化”后,經(jīng)過表界面性質(zhì)重塑,與生理環(huán)境中的生物分子互作后,被賦予新的功能。在此過程中,一些原本低毒或無毒的微塑料,因獲得攜帶促炎分子、增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)傳遞的能力,轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈呱镂:Φ摹拜d毒復(fù)合體”,產(chǎn)生“特洛伊木馬效應(yīng)”。
本研究通訊作者為中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院(SIAT)李洋研究員,張國芳副研究員,河北科技大學(xué)王英澤教授,河北師范大學(xué)常彥忠教授。巴塞羅那自治大學(xué)-SIAT聯(lián)培博士生李奇,SIAT王曉峰工程師,河北師范大學(xué)-SIAT聯(lián)培已畢業(yè)碩士徐雅晴為共同第一作者。研究工作得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助,并得到了西班牙?加泰羅尼亞納米科學(xué)與納米技術(shù)研究所Victor F. Puntes教授團(tuán)隊(duì)的幫助。
本研究從微塑料—生物分子互作出發(fā),闡明生物老化能夠增加微塑料的表面粗糙程度,改變其表界面性質(zhì),從而增強(qiáng)其與生物分子互作,最終揭示其免疫毒理學(xué)效應(yīng)的分子機(jī)制。李洋研究員團(tuán)隊(duì)長期圍繞納米顆粒與生物分子相互作用開展系統(tǒng)研究,致力于解析納米-生物分子互作規(guī)律及機(jī)制解析,闡明納米顆粒生物學(xué)效應(yīng)的分子機(jī)制,為評(píng)估納米顆粒的毒理學(xué)效應(yīng)機(jī)制或開發(fā)納米分子靶向藥物,提供全新的理論基礎(chǔ)和研究范式。相關(guān)研究發(fā)表于Nature Nanotechnology,Journal of the American Chemical Society,Advanced Functional Materials等期刊。

原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.5c12882

圖1.?生物老化微塑料攜帶脂多糖進(jìn)入巨噬細(xì)胞并放大炎癥反應(yīng)的“特洛伊木馬效應(yīng)”機(jī)制
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