聚乳酸纳米塑料和铜的联合暴露引起的铁死亡与肝纤维化：重点关注肠道微生物群失调

《Environmental Pollution》：Ferroptosis and Hepatic Fibrosis induced by Cooperative Exposure to Polylactic Acid Nanoplastics and Copper: Emphasis on Gut Microbiota Dysbiosis

协同暴露于PLA纳米塑料和铜通过破坏肠道屏障及菌群失调引发肝肠轴紊乱，导致铁死亡和肝纤维化，粪菌移植实验验证了肠道菌群的关键中介作用。

　　

王玉登|王新荣|甘蓓|贾天添|徐特|徐恒义

中国南昌大学食品科学与资源国家重点实验室，南昌330047

摘要

环境中聚乳酸纳米塑料（PLA-NPs）和铜（Cu）的共暴露对健康构成风险，但它们的联合毒性作用仍不甚明了。本研究通过亚急性暴露的小鼠模型，探讨了其协同肝毒性及其潜在机制，重点关注肠道-肝脏轴。结果表明，共暴露导致了显著的协同效应，包括体重（BW）的显著变化、肝指数比的增加以及严重的肝脏损伤，表现为天冬氨酸氨基转移酶/丙氨酸氨基转移酶/碱性磷酸酶（AST/ALT/AKP）活性的升高和组织病理学损伤。关键的是，共暴露还协同诱导了肝脏铁死亡（通过谷胱甘肽（GSH）、丙二醛（MDA）和铁稳态的失调得到证实），扰乱了脂质代谢，并促进了氧化应激。这些肝脏损伤由肠道屏障损伤和肠道微生物群失调引起，其特征是有益的鼠乳杆菌减少。粪便微生物群移植（FMT）实验明确证实了肠道微生物群的因果作用，因为将供体小鼠的微生物群转移到健康受体体内后，再现了关键的肝肠损伤。本研究表明，PLA-NPs和Cu的共暴露主要通过破坏肠道微生物群和肠道-肝脏轴的功能障碍来诱导协同肝毒性，从而导致肝脏铁死亡和纤维化。这些发现强调了肠道微生物组在调节环境污染物协同毒性中的关键作用，并为混合污染物暴露的健康风险提供了新的见解。

引言

肝脏是代谢和解毒的重要器官，执行一系列关键的生理功能，包括脂肪、碳水化合物和蛋白质的代谢（Trefts等人，2017年）。然而，由于各种内源性和外源性因素（如环境污染、肠道微生物群失调、代谢紊乱和饮酒），全球肝脏疾病的发病率持续上升，对人类健康构成了严重威胁（Barouki等人，2023年）。在这些致病因素中，日益严重的环境污染尤其值得关注。包括微纳米塑料（MNPs）、重金属和持久性有机污染物在内的污染物可以通过食物、水和空气进入人体，已成为不可忽视的肝毒性外源物质（Barouki等人，2023年）。大量的流行病学和实验证据表明，环境污染物暴露与肝脏功能障碍、脂质代谢紊乱和肝脏纤维化等病理变化密切相关（Pei等人，2023年；Fan等人，2024年；Duval等人，2017年；Guo等人，2022年）。值得注意的是，现实世界中的环境污染物通常以混合物的形式存在（Yu等人，2022年）。它们之间的相互作用可能导致协同效应，通过比单一污染物暴露更复杂的机制显著加剧肝脏损伤（Feng等人，2022年；Lan等人，2024年；Jia等人，2024年）。常见的肝脏疾病包括脂肪肝病、酒精性肝病、肝纤维化和肝癌（Barouki等人，2023年）。其中，肝脏纤维化是各种慢性肝脏疾病进展中的关键病理过程，其特征是细胞外基质的过度沉积（Parola等人，2019年）。如果不加以控制，它可能会发展为肝硬化甚至肝癌（Parola等人，2019年）。因此，同时暴露于多种环境污染物可能通过协同效应显著增加肝脏疾病的风险。

在陆地生态系统中，环境污染物主要通过“生产者-消费者”食物链传播，导致陆地哺乳动物的暴露和生物积累（Armitage等人，2027年）。具体来说，初级生产者如作物和草本植物通过根部从土壤中吸收溶解的污染物（例如铜离子），或通过叶片附着和气孔吸收空气中的纳米塑料（例如聚乳酸（PLA）-NPs）（Asare等人，2024年；Luo等人，2022年）。初级消费者（例如食草哺乳动物）摄入这些受污染的植物，导致体内污染物的积累（Gnamu?等人，2000年）。更高营养级的陆地哺乳动物，包括人类，可能通过直接食用受污染的植物性食物（例如蔬菜、谷物）或饮用受污染的水，或通过捕食受污染的初级消费者（例如肉类）而暴露，从而通过食物链的生物放大作用摄入更高浓度的污染物（Hu等人，2022年）。值得注意的是，作为一种可生物降解的塑料，PLA近年来在全球生产和消费量持续增长（Ali等人，2023年）。PLA主要来源于玉米和甘蔗等可再生植物资源，被广泛认为是解决“白色污染”的理想替代品，目前用于食品包装、一次性餐具和生物医学应用（Ali等人，2023年）。然而，越来越多的证据表明，PLA在自然条件下的降解往往不完全，甚至可能比其他塑料产生更多的纳米塑料（Lambert等人，2016年）。这些纳米塑料可以通过口腔进入生物体，而肠道作为许多环境污染物的主要接触部位和敏感目标，极易受到PLA-NPs和Cu的损害（Gillois等人，2018年）。先前的研究表明，PLA-NPs可以诱导急性肠道炎症并破坏肠道微生物群的组成（Wang等人，2023年；Jiménez-Arroyo等人，2023年）。除了各自的毒性外，纳米塑料因其与共存的环境污染物（如重金属）的相互作用而受到广泛关注（Feng等人，2022年；Lan等人，2024年；Jia等人，2024年）。它们可以通过共暴露或作为“特洛伊木马”载体来诱导协同毒性效应（Hu等人，2022年）。Huang等人的研究表明，PLA-NPs比PS-NPs具有更强的铜吸附能力，这归因于其表面富含氧的功能基团（Huang等人，2024年）。铜是一种在环境中广泛分布的重金属污染物，来源于各种来源，包括工业排放、农业肥料施用和家庭废物泄漏（Gong等人，2020年）。此外，许多受污染的水体和土壤中的铜浓度据报道分别达到100–1000 mg/L和100–1000 mg/kg（Yuan等人，2022年；Rizo等人，2011年；Abraham等人，2017年）。尽管铜是参与许多酶活性和生理过程的重要微量元素，但过量暴露会导致显著的毒性。过量摄入铜会引发肠道微生物群失调——增加潜在的病原体如鞘杆菌、弯曲杆菌和鲍曼不动杆菌，同时减少有益的乳杆菌——这反过来激活了肝脏的LPS/TLR4/NF-κB通路，从而导致肝脏损伤（Gu等人，2024年）。这些发现表明，当PLA-NPs和重金属在环境中相互作用并对生物体产生共同作用时，它们可能通过协同机制显著增强肠道毒性，并可能通过“肠道-肝脏轴”等途径对远端器官（如肝脏）造成损害。

肠道微生物群是居住在人体消化道中的复杂微生物群落，在维持正常生理功能中起着至关重要的作用（Marchesi等人，2016年）。尽管它由微生物组成，但它作为一个独特且不可或缺的器官样系统运作，常被称为人体的“第二器官”（Wen等人，2022年）。近年来，越来越多的研究将肝脏疾病与肠道微生物群的变化联系起来（Tilg等人，2016年）。肠道微生物群的恶化，如乳杆菌的减少，与脂质代谢紊乱和氧化应激密切相关，表明肠道微生物群失调可能促进铁死亡的发展（Zhao等人，2023年；Falcinelli等人，2015年）。铁死亡反过来可以促进肝星形细胞的激活和细胞外基质的沉积，从而加速肝脏纤维化的进程（Ge等人，2024年）。基于此，本研究的主要目的是探讨PLA-NPs和Cu的联合暴露是否通过协同效应引起与肠道微生物群失调相关的代谢紊乱和氧化应激，甚至增加肝脏铁死亡和纤维化的风险，从而更深入地了解PLA-NPs和Cu对人类健康的影响。

实验部分

动物实验

所有动物实验均获得了南昌Royo Biotech有限公司动物伦理委员会的批准（IACUC批准号RYE2024051602），并遵循南昌大学制定的《实验动物护理和使用指南》进行。

根据我们的初步研究，成人每日纳米塑料暴露剂量估计约为0.204–102.04 mg/kg。这相当于小鼠的每日暴露剂量为1.856–92.856 mg/kg。

PLA-NPs和Cu共暴露的协同肝毒性

与对照组相比，PLA-NPs组的小鼠体重显著下降，而Cu组的小鼠体重显著增加。更重要的是，PC组的体重甚至显著高于Cu组，表明PLA-NPs和Cu的共暴露进一步加剧了Cu单独引起的体重增加（图1A）。如图1B所示，PLA-NPs组和Cu组的肝指数均呈上升趋势。

讨论

近年来，纳米塑料和重金属的环境污染日益严重，导致人类通过食物等途径的暴露风险显著增加（Gu等人，2025年；Ma等人，2024年）。鉴于口服摄入是纳米塑料和重金属进入人体的主要途径，肠道是第一个敏感的目标器官（Zhai等人，2017年）。此外，这些污染物的暴露可以引发持续的肠道损伤和微生物

结论

本研究表明，PLA-NPs和Cu的共暴露通过肠道-肝脏轴在小鼠中诱导协同肝毒性。与单独处理相比，联合暴露加剧了肝脏铁死亡和纤维化。关键的是，粪便微生物群移植证实了肠道微生物群失调在介导这些效应中的因果作用。我们的发现强调了在环境风险评估中考虑协同相互作用的必要性，并建议针对肠道

作者贡献声明

甘蓓：研究。王新荣：写作——审稿与编辑、方法学。王玉登：写作——初稿、可视化、方法学、研究、概念化。徐恒义：写作——审稿与编辑、软件、资源、项目管理、资金获取、概念化。徐特：研究。贾天添：数据整理

未引用参考文献

Abraham和Susan，2017年；Armitage和Gobas，2007年；Fukai和Ushio-Fukai，2011年；Lambert和Wagner，2016年；Parola和Pinzani，2019年。

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竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可应要求提供。

资助

本工作得到了国家自然科学基金（82360652）和江西省自然科学基金（20242BAB26109）的支持。

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竞争性财务利益或个人关系。