褪黑素通过改善氧化应激和线粒体功能挽救聚苯乙烯纳米颗粒诱导的小鼠卵母细胞成熟障碍

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Melatonin mitigates polystyrene nanoplastics-induced impairment of oocyte maturation in mice

　　本研究针对聚苯乙烯纳米颗粒（PS-NPs）暴露导致的卵母细胞质量下降问题，探讨了褪黑素（MLT）的保护作用及机制。研究人员通过体内暴露和体外培养模型，发现MLT能显著改善PS-NPs诱导的卵母细胞减数分裂进程阻滞、受精能力下降及早期胚胎发育异常。机制上，MLT通过增强抗氧化酶基因表达（如GPX4、SOD1）、改善线粒体动力学（调节Mfn2、OPA1、DRP1等基因）、恢复ATP含量和线粒体膜电位（MMP），并纠正异常表观遗传修饰（微管蛋白乙酰化和H4K12ac水平），最终挽救卵母细胞质量。该研究为缓解环境纳米颗粒的生殖毒性提供了潜在策略。

　　

随着塑料制品在全球范围内的广泛生产和使用，其不可降解特性导致的环境污染已成为重大公共卫生问题。塑料碎片通过紫外线辐射、机械风化等途径逐渐降解为微塑料（MPs，1 μm-5 mm）和纳米塑料（NPs，1 nm-1 μm），污染自然生态系统和人类生活空间。其中，聚苯乙烯（PS）作为产量和应用最广泛的塑料类型，易降解为纳米塑料（PS-NPs）。研究表明，PS-NPs可通过吸入、摄入等途径在哺乳动物多种器官中积累，引发细胞毒性、氧化应激、炎症反应等不良健康效应。尤其值得关注的是，女性生殖系统对环境毒物高度敏感，PS-NPs暴露已被证实可在卵巢中积累，破坏卵巢功能并降低卵母细胞质量，进而影响生育能力。然而，如何缓解PS-NPs对卵母细胞成熟的损害尚不明确。

鉴于氧化应激可能是介导NPs毒性效应的关键机制，褪黑素（MLT）作为一种天然激素，不仅由脊椎动物松果体合成，也可由卵巢等生殖器官产生。卵巢局部产生的MLT作为抗氧化剂和自由基清除剂，在调节卵巢功能中发挥重要作用。为此，本研究首次尝试探讨MLT对PS-NPs暴露所致卵母细胞成熟缺陷的保护作用，旨在为减轻纳米塑料的生殖毒性提供新策略。相关成果发表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》期刊。

为开展研究，作者主要应用以下关键技术：通过小鼠体内PS-NPs暴露模型（持续35天）模拟环境暴露；采用卵母细胞体外成熟培养系统，评估第一极体排出率作为成熟指标；利用体外受精和胚胎培养技术检测卵母细胞受精能力和早期胚胎发育潜能；通过免疫荧光染色分析纺锤体形态和染色体排列；采用活性氧（ROS）检测试剂盒和Annexin-V-FITC凋亡检测试剂盒评估氧化应激和早期凋亡水平；使用ATP含量检测试剂盒、Mito-Tracker Red CMXRos和JC-1探针分别测定ATP水平、线粒体分布和线粒体膜电位（MMP）；通过实时定量PCR（RT-qPCR）分析抗氧化酶基因（GPX4、SOD1等）和线粒体动力学相关基因（Mfn2、OPA1等）的mRNA表达。

3.1. 褪黑素挽救PS-NPs暴露小鼠卵母细胞的减数分裂成熟进程

研究人员比较了带卵丘细胞的卵丘卵母细胞复合物（COCs）和裸卵（DOs）的体外成熟情况。结果显示，PS-NPs暴露仅显著降低COCs组的第一极体排出率，而对DOs组无影响，表明颗粒细胞的存在是PS-NPs毒性作用的关键因素。添加10^?6 M MLT可显著提高PS-NPs暴露COCs的极体排出率，提示MLT通过调节卵丘细胞功能改善卵母细胞成熟。

3.2. 褪黑素提高PS-NPs暴露小鼠卵母细胞的受精潜能和早期胚胎发育能力

PS-NPs暴露显著降低卵母细胞的2-细胞胚胎形成率和囊胚形成率，而MLT处理可部分逆转这一趋势，表明MLT能改善PS-NPs所致卵母细胞质量下降，提升其后续发育潜能。

3.3. 褪黑素挽救PS-NPs暴露小鼠卵母细胞的纺锤体组装缺陷和染色体排列异常

PS-NPs暴露导致卵母细胞纺锤体形态异常和染色体错排比例显著升高。MLT处理后，纺锤体异常和染色体错排比例明显降低，说明MLT能保护细胞骨架完整性，确保减数分裂正常进行。

3.4. 褪黑素降低PS-NPs暴露小鼠卵母细胞的ROS水平和早期凋亡率

PS-NPs暴露使卵母细胞内ROS水平显著升高，早期凋亡率增加。MLT处理显著降低ROS水平和凋亡率，证实其通过缓解氧化应激减少细胞损伤。

3.5. 褪黑素通过改善线粒体活性提高PS-NPs暴露小鼠卵母细胞的ATP含量

PS-NPs暴露导致线粒体分布异常、MMP下降和ATP含量降低。MLT处理可改善线粒体分布、提高MMP和ATP水平，表明MLT通过维护线粒体功能保障卵母细胞能量代谢。

3.6. 褪黑素挽救PS-NPs暴露小鼠卵母细胞的微管蛋白乙酰化和H4K12ac水平

PS-NPs暴露降低微管蛋白乙酰化水平，提高组蛋白H4K12乙酰化（H4K12ac）水平，影响表观遗传修饰。MLT处理可逆转这些变化，有助于维持染色质稳定和减数分裂准确性。

3.7. 褪黑素通过改善线粒体动力学减轻PS-NPs暴露卵母细胞的氧化损伤

RT-qPCR结果显示，PS-NPs暴露下调抗氧化酶基因（GPX4、SOD1、SOD2、CAT、Sirt1、Sirt3）和线粒体动力学相关基因（如Mfn2、OPA1、DRP1、Fis1）的表达，而上调Mfn1和Mff表达。MLT处理能显著提升这些基因的mRNA水平，提示其通过增强抗氧化能力和线粒体动态平衡缓解PS-NPs毒性。

本研究系统阐明了MLT通过多途径缓解PS-NPs生殖毒性的机制：一方面，MLT增强抗氧化酶活性，减少ROS积累和早期凋亡；另一方面，它改善线粒体动力学，提升ATP生成和能量供应；同时，MLT纠正异常的表观遗传修饰，维护纺锤体和染色体稳定性。这些效应共同促进了卵母细胞成熟质量和后续胚胎发育能力。值得注意的是，MLT的保护作用依赖于颗粒细胞的存在，提示其可能通过调节卵丘细胞代谢间接发挥效益。该研究不仅为环境污染物致生殖损伤的干预提供了理论依据，也为临床改善女性生育力提供了潜在应用价值。未来需进一步探讨MLT调节颗粒细胞代谢的具体通路，以深化其对生殖健康保护机制的理解。