老化聚苯乙烯微塑料与镉对斑马鱼的联合神经毒性作用：从肠-脑轴的角度出发

《Journal of Environmental Sciences》：Combined neurotoxicity of aged polystyrene microplastics and cadmium in zebrafish: A gut-brain axis perspective

微塑料（MPs）吸附环境污染物引发水生生物协同毒性，老化微塑料（AMPs）吸附能力增强，加剧联合毒性。研究以斑马鱼为模型，暴露于PS/APS（200 μg/L）和Cd（10 μg/L）单用或联合，发现APS+Cd组脑中Cd积累最显著，引发氧化应激、炎症及神经递质合成障碍，肠-脑轴通过改变肠道代谢（如生物素、精氨酸途径）和clDN5a表达，破坏血脑屏障，最终导致神经毒性。转录组分析显示神经活性受体互作、凋亡及脂代谢通路富集，证实PS/APS与Cd协同损伤神经元。本研究为评估MPs与重金属联合神经毒性机制提供依据。

　　

李雪|何丽群|景科欣|宋萍|余静

南京师范大学食品科学与制药工程学院，中国南京210023

摘要

微塑料（MPs）能够吸附环境污染物，导致水生生物的共毒性。老化的微塑料（AMPs）具有更强的吸附能力，加剧了与环境污染物的联合毒性。为了研究聚苯乙烯微塑料（PS）、老化PS（APS）和镉（Cd）的神经毒性，并探讨其通过肠-脑轴的机制，斑马鱼被暴露于PS或APS（200 μg/L）和Cd（10 μg/L）中，单独或联合暴露21天。结果表明，APS和Cd的联合暴露导致了最严重的神经毒性，这与大脑中Cd的显著积累以及肠-脑轴的破坏有关。APS+Cd暴露导致肠道代谢改变，尤其是在生物素和精氨酸生物合成途径中，可能引发肠道氧化应激和炎症。与神经递质合成相关的肠道代谢物（胆碱和多巴胺）显著减少。这些肠道变化降低了cldn5a的表达，可能破坏血脑屏障，引发氧化应激、炎症，并损害大脑中的神经递质合成，从而在神经毒性中起作用。此外，转录组分析显示，在神经活性配体-受体相互作用、凋亡和脂质代谢途径中差异表达的基因显著富集，表明神经元细胞受损。本研究为评估微塑料和重金属的联合神经毒性及其机制提供了科学依据。

引言

目前，全球每年生产超过4亿吨塑料制品，其中约79%被丢弃在垃圾填埋场或自然环境中，对生态系统构成重大风险（Bao等人，2024年）。微塑料（MPs）定义为直径小于5毫米的塑料颗粒，主要来源于较大塑料碎片的环境和人为分解。MPs在水生和陆地环境中广泛存在，其中聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是主要类型（Lian等人，2025年）。值得注意的是，MPs可以在多种器官组织中生物累积，并可能引发神经系统疾病。Nihart等人（2025年）发现MPs在痴呆症患者的大脑中大量存在。此外，由于MPs对环境污染物（如重金属）的吸附能力，它们的共存现象及其联合效应已被广泛关注。Lin等人（2025年）发现PS可以携带三氯生（TCS），加剧了Xenopus tropicalis的氧化应激、炎症和肠道屏障破坏。He等人（2025年）同样表明，PS和重金属的共污染会抑制Bidens pilosa L.的生长。镉（Cd）是一种有毒重金属，由于其稳定性高、难以降解且易于生物累积，会对生态系统和人类健康造成严重影响。据报道，长江流域水样中的Cd含量是原始环境的7.5倍（Chen等人，2024a年）。重金属和MPs通过吸入、皮肤接触或食物链间接进入人体或生物体的途径非常重要（Jin等人，2023年）。一旦进入体内，Cd通过血液直接运输到大脑，引发神经毒性，或通过肝脏和肾脏等器官积累并间接引起神经毒性（Zhou等人，2025年；Yin等人，2022年）。先前的研究表明，Cd暴露通过氧化应激和钙平衡失调影响神经传导（Tonoli等人，2022年）。

此外，长期暴露于光氧化、热降解和紫外线（UV）辐射等环境影响会促进MPs的老化，导致其形态、结构和物理化学性质的变化（Chen等人，2024b年）。这些变化不仅影响MPs的单一毒性，还可能通过增强对外部污染物的吸附产生更强的共毒性。例如，Li等人（2022a年）表明，老化的PS（APS）吸附的Cr含量为318.75 μg/g，是老化前的2.18倍。同样，Su等人（2025年）发现，MPs和Cu的联合暴露增加了微藻对Cu的生物利用度，并产生了比单独暴露更明显的毒性。

肠道和大脑之间存在一个称为“肠-脑轴”的双向通信系统。肠道和大脑之间的直接连接主要通过迷走神经实现，肠道状态的变化（如肠道屏障和微生物群落）可以通过这种神经将信号传递到大脑，影响大脑功能和行为（Teng等人，2022年）。此外，肠道产生的各种激素和神经递质，以及肠道免疫系统的异常，不仅影响肠道功能，还通过血脑屏障（BBB）影响中枢神经系统（Borrego等人，2024年）。已有研究表明，MPs和其他环境污染物可能通过肠-脑轴引起神经毒性。例如，Xu等人（2023a年）发现，暴露于Cd的斑马鱼幼体肠道微生物群受到干扰，导致神经行为损伤。Zhang等人（2024年）还发现，纳米塑料（NPs）和砷（As）的联合暴露会导致斑马鱼肠道中5-羟色胺（5-HT）水平下降，进一步降低大脑中的5-HT水平，最终引发神经毒性。肠-脑轴在维持肠道和大脑之间的紧密通信中起着关键作用，其功能障碍可能通过多种机制导致神经毒性。尽管先前的研究已经从肠-脑轴的角度分析了Cd或MPs在斑马鱼中的神经毒性，但老化MPs增强Cd吸附及其联合暴露对神经毒性的影响以及潜在的分子机制仍不完全清楚。

在这项研究中，以斑马鱼为模型物种，从肠-脑轴的角度分析了单次或联合暴露于PS-MPs/老化PS-MPs（PS/APS）和Cd后的神经毒性及其机制。首先，研究了斑马鱼不同组织中Cd的积累情况。随后，评估了大脑组织病理学，并测量了肠道和大脑中的氧化应激和炎症相关指标以及大脑中的乙酰胆碱酯酶（AChE）活性。同时进行了肠道代谢组学和大脑转录组学分析。本研究为评估PS、APS和Cd引起的单一和联合神经毒性及其毒性机制提供了理论支持。

章节摘录

化学物质和实验设计

PS-MPs（球形，10 μm）购自天津Baseline Chromtech研究中心（中国天津）。本研究中使用的APS与我们之前的研究（Li等人，2025a）中的APS相同，即通过UV照射（175 W汞灯）处理约4个月。分析级氯化镉（CdCl₂，99.9%）购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。野生型成年斑马鱼（AB品系，6个月大）来自Wanwuyuan实验中心

不同组织中的Cd含量

我们之前的研究表明，PS和APS都能吸附Cd，其中APS的吸附能力更强（Li等人，2025a）。生物体内的Cd积累受暴露时间等因素的影响，其在不同组织中的分布也不同（Nehzomi等人，2025年）。在所有暴露于Cd的组中，第3天、第10天和第21天都在肠道和鳃中检测到Cd，而大脑中的积累仅在暴露21天后观察到。在所有组织中，Cd水平随着时间的延长而增加

结论

本研究表明，APS和Cd的联合暴露显著促进了斑马鱼大脑中Cd的积累，增加了Cd的生物利用度，并引发了特别严重的大脑损伤，包括大脑组织病理学损伤、氧化应激和炎症。代谢组学分析显示，APS+Cd暴露严重扰乱了肠道代谢，尤其是在生物素和精氨酸生物合成途径中，可能导致肠道氧化应激和炎症。

未引用参考文献

Panwar等人，2023年

CRediT作者贡献声明

李雪：撰写——初稿、方法学、调查、数据分析。何丽群：软件、方法学。景科欣：方法学、调查。宋萍：撰写——审稿与编辑、监督、概念化。余静：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（编号22306100）、江苏省高等教育机构自然科学基金（编号23KJB610012）、中国博士后科学基金会资助的项目（编号2023M741404）以及江苏省合成生物学基础研究中心（编号BK20233003）的支持。