聚苯乙烯微塑料对肺细胞毒性的大小依赖性：一项体内和体外研究

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Size-dependent toxicity of polystyrene microplastics in lung cells: An in vivo and in vitro study

　　微塑料（MPs）通过激活ECM-MMP信号通路引发肺上皮-间质转化（EMT），导致氧化应激、线粒体功能障碍和细胞凋亡，且毒性呈现尺寸依赖性（1?μm > 5?μm > 10?μm）。研究采用活体小鼠模型和体外共培养系统，发现急性暴露（12?mg/kg）显著降低体重，1?μm颗粒在肺组织富集度最高（1.38倍），亚慢性暴露（8?mg/kg）导致肺组织结构破坏和炎症反应。体外实验显示1?μm PS-MPs使MMP-2和MMP-9活性分别升高180%和250%，激活EMT相关蛋白表达。该研究首次阐明PS-MPs通过ECM-MMP轴介导肺损伤的分子机制，提示小尺寸微塑料可能具有致癌风险。

　　塑料污染已成为全球范围内备受关注的环境问题之一，而微塑料（Microplastics, MPs）因其广泛存在和潜在健康风险而受到越来越多的研究。近年来，随着研究的深入，MPs被发现不仅存在于水体和土壤中，还广泛分布于空气中，并通过呼吸途径进入人体，从而对肺部健康构成威胁。然而，尽管已有大量研究探讨了MPs对肺部的毒性作用，其具体的毒性机制仍未完全明确。本研究旨在通过体内和体外实验模型，系统分析不同尺寸的聚苯乙烯微塑料（Polystyrene Microplastics, PS-MPs）对肺部的毒性影响，并揭示其可能的致病机制，尤其是与细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）和基质金属蛋白酶（Matrix Metalloproteinase, MMP）相关的信号通路。

在研究中，研究者首先利用扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对PS-MPs进行了表征，确认了其尺寸为1、5和10微米的均匀分布特性。随后，通过体内实验，研究者对4-6周龄的BALB/c小鼠进行了不同剂量和尺寸的PS-MPs吸入实验。结果显示，急性暴露于12 mg/kg的1微米PS-MPs可导致小鼠体重显著下降（约9.09%），并且1微米颗粒在肺部的沉积量是10微米颗粒的1.38倍。此外，长期暴露（28天）于较低剂量（8 mg/kg）的PS-MPs也显示出与颗粒尺寸相关的病理变化，其中1微米颗粒引起的肺损伤评分比10微米颗粒高2.5倍。同时，髓过氧化物酶（MPO）和丙二醛（MDA）等指标的升高进一步表明，1微米颗粒可能更强烈地诱导了肺部的氧化应激和炎症反应。

在体外实验中，研究者采用了共培养模型，将肺上皮细胞（如A549和TC-1）与巨噬细胞（如THP-1和RAW264.7）进行共培养，以模拟肺部微环境中的细胞间相互作用。实验发现，1微米的PS-MPs在诱导线粒体膜电位下降、细胞凋亡增加和活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）生成增强方面具有显著效果。具体而言，1微米颗粒可导致线粒体膜电位下降50%，并使细胞凋亡率增加了17%。这些结果表明，小尺寸的PS-MPs更容易穿透细胞膜，引发细胞内部的应激反应，从而对肺部细胞造成更大伤害。

进一步的Western blot分析显示，1微米PS-MPs暴露的共培养模型中，P21、Bax、MMP-2和MMP-9等与细胞凋亡和细胞外基质降解相关的蛋白表达显著上调，而Bcl-2（一种抗凋亡蛋白）的表达则显著下调。此外，E-钙粘蛋白（E-cadherin）的表达水平降低，而N-钙粘蛋白（N-cadherin）和波形蛋白（vimentin）的表达水平则升高，这些变化与上皮-间质转化（Epithelial-Mesenchymal Transition, EMT）密切相关。EMT是细胞在应激条件下发生形态和功能改变的过程，通常与组织纤维化和肿瘤发生有关。研究发现，1微米PS-MPs可能通过激活ECM-MMP信号通路，诱导EMT，从而加剧肺部损伤并增加潜在的致癌风险。

在讨论部分，研究者指出，微塑料的尺寸对其毒性具有重要影响。已有研究表明，小尺寸的MPs更容易被细胞内吞，并在体内广泛分布，从而引发更严重的氧化应激和细胞凋亡。例如，小尺寸MPs可能通过特定的细胞受体进入细胞内部，引发一系列应激反应，包括ROS的生成、细胞膜的损伤以及细胞外基质的破坏。这些变化不仅影响肺部细胞的正常功能，还可能通过激活TGF-β/Smad等信号通路，促进细胞的异常增殖和转化，最终导致组织纤维化和肿瘤形成。

此外，研究者还提到，虽然本研究的实验设计较为严谨，但其使用的是高剂量的PS-MPs（如100 μg/mL），这可能不完全反映现实环境中的暴露水平。因此，未来的研究需要进一步探索更接近实际环境暴露浓度的MPs对肺部的影响，以及在更长时间范围内观察其对肺部组织的慢性损害。同时，由于不同物种对MPs的反应可能存在差异，研究者建议在人类肺部细胞模型中进行更多实验，以验证本研究中发现的机制是否同样适用于人体。

研究的结论指出，PS-MPs对肺部的毒性作用主要依赖于其尺寸，其中1微米的颗粒表现出最强的致病性。这种毒性机制可能涉及多个层面的相互作用，包括氧化应激、细胞凋亡、线粒体功能障碍以及ECM-MMP信号通路的激活。特别是，EMT的激活被研究者视为一种新的细胞毒性机制，可能为MPs的致癌风险提供了理论依据。因此，有必要进一步探讨MPs在不同暴露条件下的潜在健康影响，并开发有效的防护措施，以减少其对人类肺部的损害。

研究团队还强调，目前的实验方法虽然能够较为准确地模拟MPs在肺部的沉积和毒性作用，但仍存在一定的局限性。例如，使用气雾吸入法进行实验可能与自然吸入过程存在差异，而高剂量实验虽然有助于观察明显的毒性反应，但可能不适用于评估真实环境中的长期暴露效应。因此，未来的实验设计应更加注重模拟实际暴露条件，包括使用更接近环境浓度的MPs、延长暴露时间以及评估更广泛的组织和细胞反应。

总的来说，本研究为理解PS-MPs对肺部的毒性机制提供了重要的实验依据，并揭示了尺寸在MPs毒性中的关键作用。研究发现，小尺寸的MPs可能通过诱导氧化应激、细胞凋亡、线粒体功能障碍以及EMT等机制，对肺部造成更严重的损害。这些发现不仅有助于进一步揭示微塑料对健康的潜在威胁，也为制定有效的防护措施和环境管理政策提供了科学支持。未来的研究应继续探索MPs的长期影响及其在不同环境条件下的行为，以全面评估其对人类健康的潜在风险。