《Journal of Hazardous Materials》：Gastrointestinal Digestion Potentiates Nanoplastic-Induced Intestinal Barrier Dysfunction and Macrophage-Driven Inflammation
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本研究采用Transwell?共培养模型，探讨PS、PVC、PET三种食物相关纳米塑料经体外胃肠消化后的细胞摄取、转运及炎症效应。结果表明，消化过程促使纳米塑料聚集、表面电荷负化及蛋白冠形成，增强细胞摄取，激活NF-κB/NLRP3通路并显著增加IL-6、IL-1β释放，导致肠道屏障破坏及更强烈炎症反应。该研究强调了考虑胃肠转化及材料特性的重要性，为评估摄入纳米塑料的肠炎风险提供依据。
陈亚文|袁轩|陈轩伟|吴梦莉|徐健|陈瑾
浙江中医药大学医学技术与信息工程学院，中国浙江省杭州市310053
摘要
纳米塑料（NPs）是新兴的环境污染物，在生态系统和消费品中普遍存在。当通过口腔摄入时，它们可能会引起肠道疾病。尽管纳米塑料在环境和生物作用下会发生物理化学变化，从而改变其在胃肠道中的毒性，但大多数研究忽略了这些变化，以及它们进入肠道后与不同肠道细胞相互作用和引发炎症机制的不确定性。在这项研究中，我们使用了一种Transwell?共培养模型（由分化的Caco-2肠上皮单层细胞和Raw264.7巨噬细胞组成），来探讨食品相关纳米塑料（即聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）在体外胃肠道消化后的吸收、转运和炎症效应。结果表明，胃肠道消化改变了PS、PET和PVC纳米塑料的物理化学性质，促进了聚集、表面负电荷的增加以及蛋白质冠层的形成。这些变化增强了Caco-2上皮细胞和Raw264.7巨噬细胞对纳米塑料的摄取。因此，消化后的纳米塑料导致了更显著的屏障破坏和更强的炎症反应，表现为NF-κB/NLRP3的激活以及IL-6和IL-1β的释放增加。这些发现强调了在未来的纳米塑料毒性评估中考虑实际消化过程和材料特性的重要性，为评估摄入纳米塑料相关的肠炎风险提供了重要见解。
引言
全球塑料污染负担的不断增加是一个紧迫的环境和人类健康问题（Conti等人，2024年）。塑料废物可以降解为微塑料（MPs，<5毫米）甚至纳米塑料（NPs，<1微米）[39]，这些微塑料在环境中可能被误认为是食物，从而导致不良的生物摄入行为。已有报道指出，1,565种陆地和水生生物摄入了塑料颗粒，这些颗粒通过食物链传播[25]。近年来，在瓶装水（14-6,290颗粒/升）、海鲜（2.1-10.5颗粒/克）、海盐（550-681颗粒/千克）、茶包（116亿个）、蔬菜和水果（52,600-307,750颗粒/克）以及塑料食品容器中释放的颗粒（1.07-2.24百万颗粒/毫升）中也发现了塑料颗粒[35]。这引发了人们对通过饮食摄入塑料颗粒所带来风险的严重担忧，使肠道成为塑料污染的另一个主要积聚场所，尤其是纳米塑料[38]。
当纳米塑料进入胃肠道（GI）时，它们会受到由动态生理条件塑造的复杂生化环境的影响。胃液具有酸性pH值（1.5-3.5）和多样的酶组成，会对纳米塑料的物理化学性质产生显著改变[42]。这些变化包括表面电荷的改变、蛋白质冠层的形成以及潜在的尺寸破碎，从根本上重塑了它们与生物系统的相互作用[23]、[28]、[32]。经过消化的纳米塑料表现出更强的细胞穿透能力，这得益于其表面特性的改变和减小了的流体动力学尺寸[2]、[34]。然而，现有的大多数体外实验研究主要集中在原始纳米塑料的健康风险上，而没有考虑到复杂的胃肠道环境。
肠道既起到物理屏障的作用，也具有免疫屏障的功能，特别容易受到纳米塑料的破坏性影响。研究表明，这些颗粒可以通过削弱屏障完整性、引发炎症反应和诱导氧化应激来破坏肠道稳态[13]、[36]。肠上皮屏障是调节纳米塑料转运的关键界面，存在多种潜在的传输机制。细胞旁运输、跨细胞内吞作用和专门的M细胞介导的途径共同促进了纳米塑料穿过黏膜屏障[43]。当肠道屏障被破坏后，被免疫细胞识别并吞噬的纳米塑料可以引发炎症反应[27]。然而，纳米颗粒跨细胞运动的详细动态及其引发肠道炎症的精确机制仍不清楚。
Caco-2细胞系来源于结肠上皮腺癌细胞，可分化为类似肠上皮的屏障细胞，具有微绒毛和紧密连接的特征。这些单层细胞被广泛用于研究污染物穿过肠道屏障的转运[17]。然而，Caco-2细胞本身无法有效模拟体内环境，尤其是无法再现肠炎期间与免疫细胞之间的复杂相互作用。具体来说，肠上皮细胞通过信号通路与免疫细胞交流并调节细胞因子的释放，从而有助于增强肠道健康[12]、[40]、[41]。巨噬细胞作为胃肠道黏膜中的关键免疫细胞，在内化外来颗粒和介导炎症反应方面发挥着重要作用[21]、[8]。因此，Caco-2细胞和巨噬细胞的共培养模型可以弥补Caco-2细胞单培养在模拟肠道免疫微环境方面的局限性，也有助于全面研究生物毒性物质对肠道屏障功能的影响以及肠上皮细胞和免疫细胞之间的相互作用。与传统单细胞模型相比，共培养模型能更准确地揭示纳米塑料如何引发胃肠道炎症。
本研究选择了三种与食品相关的纳米塑料：聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。PS和PVC常用于食品包装，如泡沫箱和外卖容器[11]、[20]；PET则广泛用于瓶装水和饮料的包装，在淡水和海洋环境中检测率最高[26]。我们利用已建立的Caco-2/Raw264.7共培养系统来研究胃肠道暴露于纳米塑料后引发炎症的机制，包括表征纳米塑料穿过肠道屏障的吸收和转运过程、评估其对肠上皮屏障完整性的影响，以及确定其触发巨噬细胞介导的炎症反应的潜力，特别关注胃肠道消化对其的影响。
材料
从天津Baseline Chrom Tech Research Centre（中国天津）购买了直径为80纳米的PS纳米塑料（带有红色荧光和未带红色荧光两种）。直径为80纳米的原始PET纳米塑料和PVC纳米塑料从Biotyscience Inc（中国北京）获得。根据制造商提供的信息，PS是一种由重复的苯乙烯单元（–CH?–CH(C?H?)–）组成的乙烯基芳香族聚合物；PET是一种由重复的乙二醇-对苯二甲酸单元组成的芳香族聚酯。
消化后纳米塑料的物理性质变化
通过扫描电子显微镜（SEM）观察了纳米塑料的形态特征。结果显示，原始的PS、PET和PVC纳米塑料具有均匀的球形结构、光滑的表面和良好的分散性。消化后，塑料颗粒保持了球形，但表面变得略微粗糙。然而，这三种类型的纳米塑料都表现出更强的聚集倾向（图1A，S6）。进一步的动态光散射（DLS）结果也证实了聚集现象。讨论
纳米塑料在环境和食物链中的日益增多凸显了人类接触的普遍性。这种情况要求我们全面了解它们的潜在健康风险，尤其是在考虑其摄入和与胃肠道系统的相互作用时。虽然之前的研究已经指出了原始纳米塑料的毒性效应[13]，但生理变化（如胃肠道消化）对其行为和毒性的影响却较少被关注。
结论
本研究利用体外肠上皮细胞和免疫细胞的共培养模型，评估了胃肠道消化对食品相关纳米塑料（PS、PET和PVC）的细胞摄取、转运和炎症效应的影响，以加深对不可避免摄入纳米塑料所引发的肠炎机制的理解。结果表明，纳米塑料在消化过程中倾向于形成聚集体。消化后的纳米塑料更容易被细胞摄取。
环境影响
在消化道内，纳米塑料形成了更厚的蛋白质冠层，增加了ζ电位，并增强了聚集性。这些由消化引起的变化显著增加了它们被肠上皮细胞和免疫细胞摄取的能力，加剧了屏障破坏和炎症反应。考虑到纳米塑料在食品和水中的广泛污染，这种变化可能会放大通过饮食摄入带来的健康风险。未引用的参考文献
[22]
CRediT作者贡献声明
吴梦莉：写作——审稿与编辑、监督、概念构思。陈轩伟：方法学、实验设计、数据管理。袁轩：验证、方法学、实验设计、数据管理。陈亚文：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法学、实验设计、数据分析。陈瑾：写作——审稿与编辑、监督、方法学、资金申请、数据管理、概念构思。徐健：写作——审稿与编辑，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。致谢
本工作得到了中国国家自然科学基金（22306174）、浙江省医学与健康科技项目（2024KY1187）、浙江省“先锋”和“领头雁”研发计划（编号2024C3173）、浙江中医药大学研究项目（2024JKJNTZ03）以及浙江省教育厅研究项目（Y202455011）的支持。同时，我们也感谢相关公共平台的技术支持。
