《Gut Microbes》：Gut microbiome remodeling induced by microplastic exposure in humans
微塑料对动物和人类肠道微生物组的影响存在差异
微塑料（MPs）作为一种普遍存在的有机污染物，其对胃肠道健康的有害影响日益受到关注。MPs诱导的肠道菌群失调可能加剧炎症反应和肠道屏障功能障碍。通过这些相互关联的途径，长期MPs暴露可能与胃肠道疾病的发生和发展相关。过去几十年中，MPs已在人体多个器官（如肾脏、肝脏和胎盘）和血液中被发现，这表明它们具有在体内迁移的能力。
尽管MPs对动物肠道微生物组生物多样性和组成的影响已被广泛报道，但针对人类的研究却很少。与人类实际暴露条件相比，实验动物模型通常采用更高浓度和更短暴露时间的MPs。虽然这种短期、高浓度的暴露可能有助于快速测量生物毒性，但可能无法反映人类长期、低水平的暴露情况。此外，当前MPs检测设施的局限性使得难以确定人类真实暴露水平。因此，基于动物模型的急性暴露数据可能高估了MPs对人类的慢性毒性效应。在动物模型实验中，MPs的尺寸通常小于5微米且呈球形。然而，人体组织样本中的MPs通常大于50微米，呈纤维状、碎片状或薄膜状，表面粗糙，可能不像小而规则的MPs那样容易穿过肠道屏障。以往的动物模型研究多集中于单一类型的MPs（如聚乙烯或聚苯乙烯），而人体内真实的MPs是多种MPs（如聚氯乙烯、聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯）的混合物，可能产生复杂的毒性效应。此外，环境中的MP污染物通常包含机会性病原体和其他共污染物（如抗生素、农药和重金属），这可能潜在地增加其毒性或改变其免疫效应。另一方面，动物模型的肠道微生物组组成和肠道微环境与人类存在显著差异，这也可能影响摄入MPs的生物效应。
微塑料诱导肠道菌群失调的推定机制
MPs可以作为共污染物（如持久性有机污染物（POPs）、重金属、抗生素和病原体）的载体。这种“特洛伊木马”效应引入了显著的毒理学复杂性。一个关键未解决的问题是，与MPs结合的益生菌是否会无意中促进这些吸附的有害物质或病原微生物的摄取。尽管现有证据强调了益生菌的保护作用，但仍需进一步研究以确定微生物-MPs复合物是否会改变毒物的生物可及性或影响肠道吸收途径。在设计益生菌疗法时，必须考虑这种双重效应的可能性。
肠道屏障由肠道微生物群、黏液层、紧密连接和肠上皮细胞组成。暴露于MPs可通过诱导活性氧（ROS）介导的上皮细胞凋亡来破坏此屏障，从而增加十二指肠、空肠和结肠的通透性。小鼠研究表明，MPs诱导的肠道菌群失调可诱导炎症因子（如白细胞介素-1β（IL-1β）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-6（IL-6）、Toll样受体4（TLR4）、促炎转录因子激活蛋白1（AP-1）和干扰素调节因子5（IRF5））的表达，从而导致屏障损伤。此外，MPs暴露导致的ROS过量产生会下调紧密连接蛋白（ZO-1、occludin、claudin-1），同时上调离子转运基因（如回肠和结肠中的Na-K-2Cl协同转运蛋白1（Nkcc1）、Na+/H+交换体3（Nhe3）、溶质载体家族26成员6（Slc26a6）），从而增加肠道通透性。MPs触发的炎症还可抑制黏蛋白分泌，损害黏液层的防御功能。由此产生的肠道菌群失调进一步加剧屏障功能障碍，形成恶性循环，其中内毒素泄漏激活炎症通路，使炎症、菌群失调和屏障完整性受损的状态持续存在。
研究表明，生物膜可以在微塑料表面形成。根据Galloway等人的研究，微塑料经常与生物液中的蛋白质和其他生物分子相互作用，形成蛋白质冠层。这层营养丰富的层增强了微塑料与活细胞之间的相互作用，促进细菌附着和生物膜形成。研究表明，生物膜可通过改变羰基指数和双键浓度来改变微塑料的性质。微塑料和生物膜的联合存在增加了环境危害并构成严重的健康风险。
微塑料上生物膜的发展取决于多种因素，包括颗粒大小、形状、聚合物组成、离子特性和重金属浓度。此外，微塑料上的生物膜可以积累污染物，如重金属和抗生素。还有证据表明，病原微生物通过生物膜形成在微塑料表面定植。例如，弧菌属（Vibriospp.）和其他微生物物种，包括α-变形菌纲（Sphingomonadaceae, Rhodobacteraceae, Devosiaceae）和γ-变形菌纲（Pseudomonas, Alteromonadaceae），已在微塑料上被检测到。这些发现表明，微塑料可能作为载体，运输有害病原体，并可能将其引入食物链，从而增加食源性疾病暴发的风险。
根据一项研究，MPs的表面在消化过程中发生显著变化。使用拉曼光谱和场发射扫描电子显微镜进行的表征显示，在胃相后MPs发生了形态改变。随后，在肠相和结肠相期间，有机物附着在MPs上并形成了微生物生物膜，同时伴随着表面生物降解。生物膜作为保护性多细胞群落，可入侵人体组织，保护其细胞免受抗生素和免疫反应等环境威胁。研究表明，随着塑料在环境和肠道中分解，产生的MPs会形成有利于生物膜定植的表面。这些生物膜可以充当“筏”，增加机会性病原体（如弧菌属和大肠杆菌）的生物利用度和运输。微塑料生物膜上的微生物群落与树叶或石头等天然基质上的群落不同，并且已被发现包含人类病原体，如蒙氏假单胞菌和门多萨假单胞菌。类似地，MPs可以作为其他病原体的载体，包括幽门螺杆菌和梭杆菌属。而幽门螺杆菌（I类致癌物）引起的炎症会破坏细胞过程，如细胞周期和抗氧化防御。这些病原体的存在与肠道菌群失调有关，损害微生物组在代谢、免疫和神经内分泌功能中的作用。这种失衡可能导致肠易激综合征、肠漏症以及神经系统疾病，如帕金森病和多发性硬化。生物膜本身的建立是由细菌组分（如黏附素蛋白和外排泵）驱动的形态变化，这些组分定义了群落的结构和生理学。
MPs表面作为生物膜发展的基质，可以通过使病原体更具致病性、抗生素耐药性和致癌性来放大其有害潜力。基因表达分析表明，MPs刺激了与侵袭、群体感应和塑料自身生物降解相关的微生物基因的转录。对MPs胃肠道效应的研究已记录了十二指肠、空肠、回肠和结肠等区域的微生物群失调、氧化应激和炎症反应。MPs在基因转移中的作用得到了以下发现的支持：生物膜中的革兰氏阳性菌（如枯草芽孢杆菌）比其浮游对应物更擅长获取胞外抗生素抗性基因。因此，塑料表面是微生物之间水平基因转移的关键生态位和热点区域。
微塑料可诱导的细菌
在使用接种了四名婴儿捐赠者粪便样本的婴幼儿黏膜人工结肠（Tm-ARCOL）生物反应器进行的实验中，暴露于MPs诱导了肠道微生物变化，包括Dethiosulfovibrionaceae、Enterobacteriaceae和Moraxellaceae的丰度增加。这种增加与丁酸盐产量的下降和挥发性有机化合物谱的显著变化相关。Dethiosulfovibrionaceae科已被发现与结直肠癌相关，而Enterobacteriaceae科包含众所周知的肠道病原体，如弯曲杆菌属、沙门氏菌属、埃希氏菌属和志贺氏菌属，已被发现在肠易激综合征（IBS）和其他炎症性疾病中增强。黏膜炎莫拉菌（Moraxella catarrhalis）已确定其作为关键人类黏膜细菌的地位，不再仅被视为共生菌。
在食用一次性塑料餐具盛装的热食的人群中，其肠道微生物组组成显示变形菌门（Pseudomonadota）和放线菌门（Actinomycetota）的丰度增加。在患有抑郁症的女性中观察到Pseudomonadota和Actinomycetota的增加，并且先前的报告表明两者都包含一些类固醇降解细菌。性激素可能被Pseudomonadota和Actinomycetota降解，导致女性雌激素水平降低。低雌激素水平已被认为与抑郁症的发作相关。
在经常食用外卖食品的年轻人中，高MPs暴露增强了韦荣球菌属（Veillonella）的丰度。先前的研究证实超重人群的韦荣球菌属水平较高。
微塑料可抑制的细菌
研究发现MPs暴露与某些类群的减少有关，例如学龄前儿童中的乳杆菌目（Lactobacillales）、理研菌科（Rikenellaceae）、副拟杆菌属（Parabacteroides）和产胆固醇真杆菌（Eubacterium coprostanoligenes）。这些减少与丁酸盐产量和短链脂肪酸水平的下降相关。大量的乳杆菌目和理研菌科细菌具有抗炎作用，并产生短链脂肪酸，对肠道屏障具有保护作用。副拟杆菌属的减少与炎症性肠病（IBD）的发作相关。产胆固醇真杆菌群在小鼠高脂饮食治疗后减少，暗示其对脂解具有潜在影响。
MPs暴露还降低了厚壁菌门（Bacillota）、拟杆菌门（Bacteroidota）和罗氏菌属（Roseburia）的丰度。先前的报告指出厚壁菌门和拟杆菌门水平之间的正协调关系，通过产生丁酸盐来调节动物和人类的生物钟和睡眠质量，其下降与抑郁和焦虑密切相关。此外，在广泛性焦虑症患者中，厚壁菌门和拟杆菌门均减少。在克罗恩病或溃疡性结肠炎患者中，厚壁菌门的丰度显著较低；而拟杆菌门仅在克罗恩病患者中减少。罗氏菌属也在结肠中产生丁酸盐，可维持能量稳态并抑制肠道炎症。相反，在IBD患者中观察到罗氏菌属水平下降。
柯普球菌属（Coprococcus）和螺旋杆菌属（Turicibacter）在MPs暴露下也减少。柯普球菌属细菌在维持微生物群网络稳定性方面也发挥作用，并且是丁酸的重要生产者。螺旋杆菌属细菌作为另一种肠道益生菌，通过产生多糖来调节脂质和糖代谢。
微塑料对某些细菌产生诱导和抑制双重效应
然而，对于其他一些细菌，既有诱导作用（对Oscillospiraceae、阿德勒克罗伊茨菌属（Adlercreutzia）、考拉杆菌属（Phascolarctobacterium）和柯林斯菌属（Collinsella）），也有抑制作用（对链球菌属（Streptococcus））被记录。Oscillospiraceae种群与克罗恩病呈正相关，但与乙型肝炎病毒（HBV）相关肝细胞癌呈负相关。阿德勒克罗伊茨菌属已被认为与阿尔茨海默病呈正相关。然而，阿德勒克罗伊茨菌是一种产生短链脂肪酸的细菌。补充阿德勒克罗伊茨菌（Adlercreutzia equolifaciens）显著降低了对抗高血压药物耐药的大鼠的血压。考拉杆菌属在轻度认知障碍或阿尔茨海默病患者中积累。另一方面，考拉杆菌属也是一种产生短链脂肪酸的细菌，可改善脂质代谢和胰岛素敏感性。肠道柯林斯菌属被发现与人类非酒精性脂肪性肝炎相关。产生丁酸的柯林斯菌属被发现在新诊断的急性髓系白血病患者中显著减少。链球菌属，作为另一种产生短链脂肪酸的细菌属，在缓解肠胃炎中起到益生菌的作用。然而，一些链球菌物种，如解没食子酸链球菌亚种，是涉及菌血症和心内膜炎的细菌病原体，通常与老年患者的结肠肿瘤相关。
关于微塑料对某些细菌影响的矛盾报告
Lachnospiraceae_NK4A136_group（来自毛螺菌科）也被发现与胎便样本和学龄前儿童肠道中的MPs水平呈负相关。毛螺菌科丰度的降低被证实与IBD的发作相关。然而，一项针对研究生的矛盾报告表明，多尔氏菌属（Dorea）（毛螺菌科中的一个属）与消费外卖食品呈正相关。多尔氏菌属在非酒精性脂肪性肝炎或非酒精性脂肪性肝病患者的肠道中更为丰富，暗示它可能是一种致病共生菌。宿主年龄的差异可能是这种矛盾的一个潜在原因。
Hong等人报告称，在年轻脂肪肝患者中，奇异菌属（Alistipes）增加。相反，在一项学龄前儿童的试点研究中，MPs暴露与奇异菌属呈负相关。高脂饮食已被报道会增加小鼠肠道中的Alistipessp. Marseille-P5997和Alistipessp. 5CPEGH6。Alistipes shahii和Alistipes indistinctus已被发现与人类肥胖呈正相关。然而，Alistipes finegoldii也被认为是一种益生菌，可能保护宿主免受结肠炎和IBS的侵害。对于年轻人来说，一次性塑料餐具盛装的热食被认为是MPs的潜在来源。然而，对于学龄前儿童，塑料瓶中的母乳和配方奶被认为是MPs的潜在来源。不同的食品容器释放不同的MPs。因此，除了宿主因素（如年龄和饮食）外，MPs特性（类型、大小、形状）可能影响特定细菌的丰度。
大多数针对成年人的研究表明，MPs与粪杆菌属（Faecalibacterium）呈负相关。Ke等人报告称，在学龄前儿童中粪杆菌属增加。粪杆菌属是一种产酸细菌属，在人类肠道中含量丰富。其数量与多种炎症性疾病相关，如IBS和IBD。先前的一项研究发现，克罗恩病患者的肠道中普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）的丰度显著降低。然而，另外两项研究表明，患有克罗恩病的儿童体内普拉梭菌增加，这意味着粪杆菌属可能是有害的，至少在儿科克罗恩病中是如此，这与仅在学龄前儿童中发现MPs与粪杆菌属呈正相关的结果一致。
考虑到在物种和菌株水平上观察到的功能异质性，未来对人类肠道微生物组的研究应优先考虑更深的分类学分辨率。具体来说，对毛螺菌科的研究应推进到物种水平，而对奇异菌属和粪杆菌属等属的分析应力求达到菌株水平表征。为实现此目标，推荐使用鸟枪法宏基因组测序而非16S宏条形码测序，因为前者在识别较低丰度类群方面具有更强大的能力，并能够实现更高分辨率的分析。此外，严格控制关键混杂因素（如饮食、生活方式和药物使用）至关重要。例如，不应在未考虑年龄相关组成差异的情况下直接比较儿童和成人的肠道微生物组数据。
微塑料诱导的肠道微生物组失调与人类疾病的关联
MPs暴露导致人类疾病的证据也很有限。在一项针对18-30岁大学生的研究中，高MPs暴露组的体脂百分比、内脏脂肪面积和体重指数（BMI）显著高于低MPs暴露组，其中韦荣球菌属、奇异菌属、螺旋杆菌属、理研菌科和产胆固醇真杆菌可能参与肥胖的发生。另一份报告表明，食用一次性塑料容器盛装的外卖食品的参与者，其胃肠功能紊乱和咳嗽的患病率高于对照组，其中肠道粪杆菌属与偶尔消费者相关性最强，而肠道柯林斯菌属与频繁消费者相关性最强。然而，我们不能排除外卖食品可能含有致病共生菌或一些胃肠道刺激物的可能性。需要更严格控制的实验设计。两项研究均招募了年轻人。考虑到儿童对MPs比成人更敏感，有必要进行更多针对儿童的肠道微生物组耦合研究。
在70%的胰腺肿瘤以及胃、肺、结直肠和宫颈肿瘤中检测到MPs，但在食管肿瘤中未检测到。在结直肠癌患者的肿瘤和瘤周组织中也检测到了MPs。然而，MPs暴露与癌症之间的关联可能不能归因于肠道微生物群失调。肿瘤组织和正常组织对MPs的亲和力不同。肿瘤细胞表面的一些分子对多种MPs表现出高亲和力。一项研究表明，MPs选择性结合细胞表面受体T细胞膜蛋白4（TIM-4），促进MPs进入细胞。肠道微生物群在MPs暴露诱导的致癌作用中的作用需要进一步研究。
Yan等人报告称，粪便MPs水平与IBD的严重程度呈正相关。他们认为MPs暴露可能与疾病进程相关，或者IBD可能加重MPs的滞留。然而，仍缺乏对暴露于MPs的IBD患者进行肠道微生物组研究。
在一项针对克罗恩病患者的研究中，MPs水平与肠纤维化的严重程度呈正相关。一些高风险操作，例如频繁的侵入性胃肠道检查，加剧了纤维化肠道中MPs的积累。并且观察到病变部位的MPs水平与周围组织相比显著增加。在患有慢性结肠炎的小鼠模型中，MPs导致总体上所有病理变化的患病率更高，尤其是溃疡，隐窝脓肿和肠内分泌细胞数量更多。因此，MPs及其相关的肠道微生物群失调可能在溃疡性结肠炎和非溃疡性结肠炎之间扮演不同的角色。
暴露于MPs导致抑郁相关微生物群（如放线菌门、变形菌门、厚壁菌门和拟杆菌门）的增加。在患有帕金森病的小鼠中，MPs加剧了α-突触核蛋白病理在黑质多巴胺能神经元中的扩散。考虑到脑肠轴的重要性，应探索高MPs暴露人群心理亚健康状态与肠道微生物组之间的相关性。
小鼠实验表明，肠道微生物群有助于MPs诱导的结肠和肝脏损伤。长期暴露于MPs通过肠道菌群失衡对MPs诱导的肝脏焦亡至关重要的机制引起肝脏炎症损伤。老化的MPs导致更严重的肝功能障碍和肠道微生物群失调。这种失调可能由脂肪酸信号传导衍生的肝脏脂解障碍和氧化损伤介导。所有这些报告都强调了MPs与肠-肝轴之间的联系。然而，暴露于MPs的人类肝脏疾病尚未得到充分评估。
微塑料影响多器官微生物群
在食用一次性塑料容器盛装的外卖食品的个体中，肠道微生物群与口腔微生物的丰度和均匀度相关，这意味着在该队列中口腔微生物群的多样性可能受到肠道细菌的影响。Zhang等人招募了20名来自塑料厂（高MPs暴露区）的参与者和另外20名来自公园（低MPs暴露区）的参与者。他们的分析显示，高MPs暴露不仅导致主要肠道微生物群和鼻腔微生物群的改变，还改变了它们彼此之间的共生关系。在人类胎盘和胎便样本中也发现了MPs，这表明孕妇和婴儿暴露广泛。此外，还发现了胎盘和胎便中MPs水平与微生物属之间的相关性。应进行更多针对高MPs暴露人群的多器官微生物群相关性分析。
当前微塑料与肠道微生物组研究的关键局限性
尽管越来越多的证据表明MPs可以改变肠道微生物组并导致不良健康后果，但对这些文献的解释受到若干重要方法学挑战的限制。关键限制涉及暴露评估、微生物组分析的分辨率以及对关键混杂变量的控制。
该领域的一个基本挑战是准确量化和表征人类MPs暴露。许多研究依赖于使用标准化、球形MP聚合物（如聚苯乙烯微球）在高浓度下进行的体外模型或动物实验。虽然条件受控，但这些条件并不反映人类暴露的复杂现实，人类暴露涉及不同聚合物类型、大小、形状和表面化学性质的异质颗粒混合物，通常伴有添加剂或吸附病原体等共污染物。此外，将动物研究的剂量外推至人类相关暴露仍然存在问题。在人类研究中，暴露通常间接从环境数据或食品包装使用情况推断，缺乏内部剂量的直接测量。缺乏用于检测和量化人体组织和粪便中MPs的标准化、灵敏且具有成本效益的方法，继续阻碍我们建立稳健的剂量反应关系的能力。
分析技术的选择深刻影响关于MPs诱导的微生物变化的结论。大多数当前研究利用16S rRNA基因扩增子测序，该方法在属水平分析微生物群落结构方面具有成本效益。然而，该方法分类学分辨率有限，通常无法区分对理解功能转变至关重要的物种或菌株水平的变化，例如同一属内特定致病菌株与良性菌株的增殖。更重要的是，16S数据仅间接推断功能潜力。相比之下，鸟枪法宏基因组测序提供了整个遗传库的全面视图，允许直接推断微生物功能，例如可能被MPs激活的抗生素抗性基因、毒力因子和异生物质降解途径。许多研究对16S rRNA基因扩增子测序的依赖因此可能掩盖了MPs对肠道微生物组最具有功能相关性的影响。
人类肠道微生物组是高度动态的，并受到多种因素的影响，这些因素可能混淆或掩盖MPs暴露的影响。关键因素包括饮食、生活方式和药物使用。例如，一次性塑料餐具盛装的热食是MPs暴露的主要来源，并且独立地驱动菌群失调，形成了一个复杂的关联网络。类似地，质子泵抑制剂或抗生素的使用会 drastically 重塑肠道微生物群，这种效应可能被错误地归因于MPs的共暴露。许多流行病学甚至一些干预性研究缺乏所需的细致、高质量数据来充分控制这些强大的混杂因素。未能通过严谨的研究设计和复杂的统计模型细致地解释这些变量，引入了显著的不确定性，并使分离归因于MPs本身的独特效应大小变得复杂。
结论
当前关于微塑料（MPs）对人类肠道微生物群影响的研究面临显著局限性，特别是在暴露评估方面。未来的研究必须优先发展经过验证的MPs生物监测方法，采用高分辨率的鸟枪法宏基因组学，以及实施能够严格控制饮食和药物等混杂因素的纵向设计。只有通过应对这些挑战，我们才能从观察关联进展到确定MPs在人类健康中的因果作用。
确实，MPs诱导的菌群失调与多种病症相关，包括肥胖、胃肠道紊乱、炎症性肠病和某些癌症。此外，MPs暴露与抑郁相关微生物群的增加相关联，凸显了在高MPs暴露人群中探索肠-脑轴的必要性。此外，肠-肝轴代表了另一个关键通路；肠道微生物组在MPs相关肝脏疾病中的作用需要在人群中进行进一步研究。
