塑料在日常生活中不可避免。我们带回家的许多产品都是由塑料制成或用塑料包装的，所有这些都可能释放出微小和纳米大小的碎片，可能被意外消耗或吸入。当人们在不知情的情况下吃、喝或吸入几乎看不见的塑料碎片时会发生什么？虽然还不清楚这对人类到底有什么影响，但研究人员现在已经朝着回答这个问题迈出了一步。

 

 

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80nm纳米塑料（NPs）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，可能会破坏关键过程，对器官造成负面影响。

 

 

研究结果

纳米塑料对细胞活性的影响和内化作用

与对照组相比，低np浓度组(0.006、0.0125、0.0312、0.0312 mg/mL)略有升高，高np浓度组(0.125和0.25 mg/mL)显著降低。活性得增加表明，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。

采用荧光标记法测定了纳米塑料的细胞内化，以研究纳米塑料是否进入细胞。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为 (0.0125 mg/mL) ，低于报告的水环境中0.04mg/mL的纳米塑料浓度。
 

图1. 正常的人类肝脏L02和肺BEAS-2B细胞系摄取80 nm的NPs及其在一系列浓度下的细胞活力：通过TEM分析，荧光NPs(F-NPs)(A，C)和非荧光NPs的内化(B，D)

NPs引起的线粒体损伤

研究人员研究了L02和BEAS-2B细胞中活性氧（mROS）的产生、线粒体膜电位（MMP）和线粒体呼吸，以检测NP暴露是否改变了正常的线粒体功能。mROS的过量产生已被认为是线粒体损伤的驱动因素之一。结果表明，NP暴露有助于促氧化环境的产生，特别是在L02细胞中。

 

图2. np诱导的正常人肝L02细胞系和肺BEAS-2B细胞系中mROS的产生

细胞中额外的mROS的释放扰乱了线粒体膜，从而影响了MMP，增加了线粒体损伤。因此，在L02和BEAS-2B细胞中，使用花菁染料JC-1检测MMP。当细胞健康时，JC-1聚集物形成并产生红色荧光；相反，当细胞不健康时，JC-1仍保持单体形式，并产生绿色荧光。因此，从红色荧光到绿色荧光的转变表明MMP的改变，这是细胞死亡的早期迹象，因此是线粒体功能状态的标志。

 

图3. 正常人肝L02细胞系和肺BEAS-2B细胞系；n=3中n=诱导的MMP改变

研究人员进一步评估了NP暴露后线粒体呼吸的变化，以及对ETC中氧化磷酸化的影响。结果显示了NP暴露后L02和BEAS-2B细胞的线粒体应激谱。L02细胞中的所有测量参数均遵循剂量依赖性趋势，基础呼吸和最大呼吸显著降低。高np浓度组的BEAS-2B细胞中这些指标也降低。

图4. 正常人肝L02细胞系中np诱导的线粒体应激反应

通过搜索质谱库，在每个细胞系中鉴定出超过35个内源性生物标志物。这些化合物主要是核苷酸、核苷、氨基酸、肽和羧酸。代谢途径的结果表明，NPs暴露影响了L02细胞的烟酸和烟酰胺代谢，影响了BEAS-2B细胞的精氨酸合成和丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢。功能和生物学模式的富集分析表明，两个细胞系的线粒体中尿素循环等生物学过程都受到高度干扰。此外，在这两种细胞系中，受NP暴露影响最大的三种途径被确定为线粒体相关途径。这些途径与三羧酸(TCA)循环、谷胱甘肽(GSH)代谢和嘌呤代谢有关，表明NP暴露影响线粒体功能。

 

图5. 经NP处理的正常人肝L02细胞系(A、C)和肺BEAS-2B细胞系(B、D)中最相关的代谢物组的代谢途径分析和富集分析

 

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中心，并为细胞呼吸提供能量。高浓度NPs处理后，BEAS-2B细胞的柠檬酸含量明显降低，而富马酸含量明显升高。这些结果与之前的研究结果一致，即np处理的BEAS-2B细胞显示出TCA中间代谢物水平的增加。

图6. NP扰乱了三羧酸循环、GSH代谢和嘌呤代谢的代谢途径
 

研究结论

本研究首次为理解正常人类细胞对NPs暴露反应中的线粒体相关反应途径和代谢机制提供了新的见解。研究结果表明，NPs可以进入细胞并诱导线粒体损伤，而不会导致大规模细胞死亡。由于线粒体功能与代谢变化密切相关，利用非靶标代谢组学证实了线粒体是L02细胞和BEAS-2B细胞中对NP暴露最敏感的细胞器，并揭示了它们对NP毒性的代谢机制。本研究中观察到的线粒体损伤可能导致细胞功能，最终导致器官组织功能障碍。此研究中使用了没有额外化学物质的纯商业NPs，这些NPs对两种细胞系都显示出潜在风险，这表明了以前被低估的NPs可能对不同器官的健康影响。考虑到NP污染是复杂的，由于NP的形状、年龄和与环境中其他有毒化学物质共存的时间的变化，NPs对环境和人类健康的实际不利影响可能大于本研究中测量的不利影响。因此，需要更好地了解NP暴露对人类的潜在不利影响。