通过分子动力学和对接模拟技术探索纳米塑料与血液蛋白质相互作用的分子机制

《Journal of Molecular Liquids》：Exploring the molecular mechanisms of Nanoplastic interactions with blood proteins by molecular dynamics and docking simulations

纳米塑料与血液蛋白的相互作用机制及其健康影响研究，通过分子动力学和对接模拟发现高疏水结合倾向，柔性蛋白易受结构扰动，可能引发聚集和功能异常，关联神经退行性疾病和心血管风险。

　　

Benedikt J. Lohnes|Jonas Woller|Udo F. Hartwig|Nitesh K. Poddar

德国美因茨约翰内斯古腾堡大学医学中心血液学与医学肿瘤学系，邮编55131

摘要

塑料污染对人类健康构成了日益严重的威胁，因为微米和纳米级别的颗粒会干扰蛋白质的结构和功能，可能导致各种生理疾病。纳米塑料尤其值得关注，因为它们具有较高的表面与体积比，这增强了它们与生物分子的相互作用。在这项研究中，我们探讨了关键血液蛋白（包括人血清白蛋白（HSA）、转甲状腺素（TTR）、β-淀粉样蛋白（Aβ_1–40）和α-突触核蛋白（α-Syn）与常见塑料的纳米颗粒模型之间的相互作用。这些塑料模型包括球形（PE、PP、PVC、PEG）和长形（PS、PET）结构。

分子动力学（MD）和对接模拟显示，这些蛋白质与塑料颗粒之间存在非特异性但高亲和力的相互作用，主要受疏水作用驱动，结合强度受聚合物表面化学性质、颗粒形状和蛋白质结构特征的影响。MM/PBSA计算结果显示，α-Syn和HSA对PS和PVC有较高的亲和力，而TTR则更倾向于与PVC结合。此外，计算出的结合自由能从中等（Aβ_1–40）到非常强（PS–HSA）不等。RMSD分析表明，塑料颗粒的结合显著降低了所有蛋白质的主链流动性，其中在柔性的、内在无序的蛋白质Aβ_1–40和α-Syn中这种效应最为明显，这突显了它们容易在异质聚合物表面发生非特异性吸附。

这些结果表明，塑料纳米颗粒与血液蛋白有强烈的相互作用，可能会影响其结构和功能。此外，这种结合可能通过限制蛋白质的构象流动性来促进聚集，从而为塑料污染与神经退行性疾病和心血管疾病的发展提供了潜在的机制联系。

引言

随着人们对塑料污染的认识不断提高，关于微塑料和纳米塑料作为环境和健康风险的担忧也在增加。许多研究表明，这些颗粒在人体内通过肺部或消化道吸收后，会在组织和器官中广泛分布[1]，这些颗粒可能来自空气中的颗粒、受污染的水体或食物链[3]。[1]、[2]。已报道的影响范围广泛且令人担忧，包括激素失衡和代谢功能障碍[5]、组织病理损伤[6]、氧化应激增加[6]、[7]、炎症反应[1]、[8]，以及基因组不稳定性和神经毒性[9]。此外，这些影响可能在癌症、心血管疾病或神经退行性疾病的发病和发展中起作用，从而加剧相关风险[4]、[10]、[11]。

作为机械、化学和生物降解的产物[4]，人体中最常发现的塑料是微塑料和纳米塑料。这些颗粒具有较高的表面与体积比和强烈的结合亲和力，容易与生物分子发生相互作用[12]、[13]。在生物环境中，这些颗粒的高表面活性会迅速导致蛋白质和其他生物分子的吸附，在颗粒周围形成一层“冠层”[13]。这层冠层可以分为两部分：内层是吸附蛋白质，具有强结合亲和力和缓慢的交换时间；外层是结合较弱的“软冠层”，交换时间较快。由于前者与蛋白质的相互作用更强，因此预期前者会对蛋白质产生更大的影响，如构象变化[13]、[14]。除了直接影响被吸附的生物分子外，这些冠层还会改变它们的形态和表面化学性质，最终改变其物理化学性质[15]，从而增加细胞相互作用和细胞毒性[4]、[16]。本研究特别关注生物-纳米塑料相互作用，因为最近的研究表明，与微塑料相比，纳米塑料的生物活性更高[17]、[18]，因此可能引发更强烈的反应[19]。

血液作为连接所有器官的枢纽，在塑料的分布、滞留和清除过程中起着关键作用[3]。在血液循环中，塑料颗粒会遇到血液中的天然成分，如脂质、蛋白质、碳水化合物和细胞[4]。虽然大多数塑料颗粒（尤其是被生物冠层覆盖的颗粒）可能被吞噬并部分分解，但随后会通过胞吐作用进入血液[20]，最终与对人类健康至关重要的蛋白质直接接触，影响其生理功能和结构。塑料颗粒污染的颗粒大小、形状、表面和电荷存在很大差异，这会影响它们与人体生物系统的相互作用[12]、[21]。鉴于这种多样性，我们选择了之前在人体血液中检测到的一系列塑料聚合物模型，包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚苯乙烯（PS）和聚氯乙烯（PVC）[3]、[22]。这些聚合物是塑料颗粒污染的主要来源，人们通常通过包装和纺织品接触到它们[3]、[12]、[23]。此外，还选择了聚乙二醇（PEG）作为参考聚合物，因为它被广泛用作添加剂，并且其与蛋白质的相互作用已被充分研究，可以作为蛋白质-聚合物相互作用的极性基准[24]、[25]。这有助于比较环境纳米塑料与低非特异性吸附和最小聚集促进效应的聚合物之间的结合行为。

在血液蛋白中，人血清白蛋白（HSA）和转甲状腺素（TTR）在运输过程中起着核心作用。HSA负责输送脂肪酸、激素和药物，而TTR主要输送甲状腺激素。这些生理功能的紊乱会影响激素的输送，并在HSA的情况下促进动脉粥样硬化；TTR的错误折叠则与心脏淀粉样变性和心脏功能障碍有关[26]。相比之下，Aβ_1–40和α-Syn在血液中的浓度要低得多[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。尽管含量较少，但这些蛋白质在生理上非常重要，且可能受到外来颗粒的影响。Aβ_1–40通过形成淀粉样斑块促进阿尔茨海默病，并可能加剧血管炎症和心血管功能障碍[26]。α-Syn在突触功能中起关键作用，其错误折叠是帕金森病的主要诱因，还可能引发心脏和神经炎症以及内皮功能障碍[33]、[34]。

虽然已经采用了实验方法来表征聚合物-蛋白质相互作用，但有限的分辨率使得识别潜在机制变得困难。近年来，分子动力学和对接模拟性能的提高使其变得更加流行，并成为生物医学科学中的宝贵工具。它们能够在原子水平上对复杂系统进行建模，并研究了基本原理，包括其他蛋白质在塑料颗粒上的吸附及其对蛋白质结构的影响[15]、[19]、[35]。在这里，我们进行了分子对接和分子动力学模拟，以探讨生物-纳米塑料相互作用的多个方面，如结合亲和力、参与相互作用的氨基酸以及蛋白质的流动性，并识别了这些蛋白质与塑料颗粒结合后的潜在影响，包括蛋白质错误折叠、聚集或生理功能受损。这些新见解有助于理解和评估微塑料和纳米塑料污染的相关风险，以及应对这一对人类健康威胁的潜在策略。

部分内容摘要

粗粒度凝聚模拟结果显示球形和圆柱形多链聚合物颗粒模型的自组装

为了研究塑料颗粒与血液蛋白结合的性质及其潜在影响，我们通过将单个聚合物链自组装成纳米颗粒来生成聚合物模型，从而为分子对接和分子动力学研究提供了更真实和动态的设计。

塑料污染对血液蛋白稳定性构成特定风险

人们对微塑料和纳米塑料污染的担忧日益增加。最近的研究表明，塑料颗粒几乎在人体每个器官中都有积累，相关不良影响的证据也在不断增加[1]、[2]、[3]。虽然微塑料和纳米塑料在血液中的分布表明它们与血液蛋白有直接相互作用，但对其对血液蛋白的不良影响知之甚少，预测潜在的副作用也具有挑战性。

结论

在这项工作中，我们展示了塑料颗粒的生成和模拟作为研究蛋白质-塑料相互作用的有力工具。我们的研究表明，纳米塑料-蛋白质相互作用主要由疏水范德华力驱动，结合强度受聚合物表面化学性质、颗粒形状和蛋白质结构特征的相互作用影响。柔性的、内在无序的蛋白质表现出

蛋白质结构准备

人血清白蛋白（PDB-ID 1AO6）、转甲状腺素（PDB-ID 1F41）、单体Aβ_1–40（PDB-ID 2LFM）和α-突触核蛋白（PDB-ID 1XQ8）的结构是从RCSB蛋白质数据库（www.rcsb.org）获取的，随后通过分子动力学模拟进行了结构松弛处理。为了进行溶剂化和离子化处理，使用了TIP3P水模型和0.15 M NaCl在CHARMM36m力场中[70]，以及CHARMM-GUI溶液构建工具[71]、[72]、[73]。

CRediT作者贡献声明

Benedikt J. Lohnes：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿。Jonas Woller：数据整理，概念化。Udo F. Hartwig：研究，形式分析。Nitesh K. Poddar：撰写 – 审稿与编辑，监督。

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

非常感谢印度政府通过DST-FIST项目（DST/2022/1012）对马尼帕尔大学生物科学系的财政支持。Benedikt J. Lohnes在德国IAESTE、印度IAESTE的支持，以及德国学术交流服务（DAAD）提供的流动基金，使他在马尼帕尔大学生物科学系的实习成为可能。