氨基改性的聚苯乙烯纳米塑料可诱导内皮细胞发生焦亡，并引发促动脉粥样硬化的细胞反应

《Food and Chemical Toxicology》：Amino-Modified Polystyrene Nanoplastics Induce Endothelial Pyroptosis and Pro-Atherogenic Cellular Responses

纳米塑料污染对心血管系统的影响及机制研究。20 nm氨基修饰PS-NPs通过NF-κB/NLRP3/GSDMD通路诱导HUVECs Pyroptosis，并促进THP-1细胞黏附、迁移及脂质积累，揭示表面化学修饰和粒径对血管毒性的调控作用。

　　

陈俊亮|程叶|王金宁|孙晓丹|王乐|刘丹|曹向宇

中国辽宁省沈阳市崇山路66号辽宁大学生命科学学院生物科学系，邮编110036

摘要

由于纳米塑料（NPs）对人类健康的潜在影响，其在食品中的污染已成为一个关键问题。目前，NPs有可能诱发心血管损伤，但其细胞层面的具体机制尚不清楚。此外，环境因素可以改变NPs的表面官能团，其中氨基修饰的NPs（NH₂-NPs）对其毒性有显著影响。本研究旨在探讨不同粒径和氨基修饰的NPs对人类脐静脉内皮细胞（HUVECs）的影响。结果表明，20纳米的NH₂-NPs对焦亡相关蛋白的表达水平影响最为显著。焦亡抑制剂VX-765减少了HUVECs中的PI阳性细胞和焦亡蛋白的表达，这支持了焦亡在NH₂-NPs诱导的损伤中的关键作用。随后，20纳米NH₂-NPs的暴露导致HUVECs损伤，促进了人类急性单核细胞白血病（THP-1）细胞的招募，增加了细胞的粘附性、迁移能力和脂质积累。这些发现表明，PS-NPs通过NF-κB/NLRP3/GSDMD介导的焦亡途径对HUVECs造成损伤，并影响了THP-1细胞的粘附性、迁移能力和泡沫细胞的形成。本研究为PS-NPs的血管毒性机制提供了见解，并强调了表面化学修饰在调节其毒理学效应中的关键作用。

引言

微塑料（MPs）广泛存在于食品和环境中（Wang等人，2024年）。MPs经常在饮用水、食品和土壤中被检测到（Aslam等人，2020年）。MPs已成为一个全球性的问题，影响着环境和人类健康（Akdogan和Guven，2019年）。这些颗粒的微观尺寸影响了过滤方法的有效性，导致它们在环境中的持续积累（Ghosh等人，2023年）。据报道，全球水生环境中MPs和纳米塑料（NPs）的质量浓度范围为6.35 × 10^-6至6.94 μg/mL（Wang等人，2023年）。塑料降解的发生主要受多种因素影响，包括微生物降解、热降解和光降解，这导致了大量MPs（<5毫米）和NPs（<100纳米）的形成（da Costa，2018年）。与MPs相比，NPs的分布范围更广，可能在环境中更广泛地积累（Bianco和Passananti，2020年）。NPs的小粒径和高吸附能力增强了它们在细胞内的内化和积累（Liu等人，2021年）。

聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）是环境基质和人体生物样本中最常检测到的聚合物类型之一（Blancho等人，2021年），并且被广泛用作毒理学研究的代表性纳米塑料模型（Kelpsiene等人，2022年）。因此，本研究选择了PS-NPs进行探讨。研究发现，PS-NPs显著影响细胞活力并诱导细胞周期停滞（Xu等人，2019年）。30纳米的PS-NPs通过内吞作用进入人类神经干细胞，诱导细胞凋亡并显著抑制细胞增殖（González-Caballero等人，2024年）。PS-NPs不仅具有细胞毒性，而且还在人体血液和尿液中被检测到（Leslie等人，2022年；Zhu等人，2024年）。因此，人类通过摄入、吸入或皮肤接触暴露于NPs污染是不可避免的（Prata等人，2020年）。

各种环境因素可能会赋予纳米级碎片新的性质，包括紫外线辐射、机械磨损、生物降解等（Andrady，2011年）。例如，NPs可以通过羰基官能团进行修饰，这是由于风化、氧化和结晶度增加引起的（Fotopoulou和Karapanagioti，2012年）。NPs也可以在环境过程中通过氨基修饰进行修饰（Zhang等人，2022年），由于细胞膜带负电荷，通过氨基修饰获得正电荷可以促进与细胞膜的更强相互作用，从而促进有毒的生物反应（Zhang等人，2019年）。此外，经过特定官能团修饰后，纳米颗粒在体内会变得更加稳定（Guerrini等人，2018年）。因此，当PS-NPs以这种方式被修饰时，其毒性会增加。

基于上述分析，纳米颗粒的化学修饰是一个需要仔细考虑的关键因素，也将是本研究的重点。先前的研究表明，氨基修饰的PS-NPs（NH₂-NPs）可以诱导细胞凋亡和线粒体膜电位的改变（Anguissola等人，2014年）。此外，NH₂-NPs通过影响线粒体膜电位对HUVECs产生毒性效应（Fu等人，2022年）。与未修饰的PS-NPs相比，NH₂-NPs可能导致更严重的氧化应激并损伤HepG2细胞（He等人，2020年）。PS-NPs的毒性效应与其表面化学性质密切相关（Lett等人，2021年）。因此，阐明PS-NPs效应与表面电荷之间的关系对于阐明其毒性机制至关重要。

越来越多的证据证实人类暴露于NPs，最近的质量谱分析显示粪便中的浓度为345.58 μg/g dw，尿液样本中的浓度为6.49 μg/mL，血清中的浓度为7.1 μg/mL（Leslie等人，2022年；Lett等人，2021年；Zhu等人，2024年）。先前的研究报道，PS-NPs可以影响生殖系统、消化系统和神经系统，对人类健康产生影响（Sangkham等人，2022年）。重要的是，PS-NPs还可以影响心脏功能并在血管部位引起毒性（Marfella等人，2024年；Zhu等人，2023年）。研究表明，PS-NPs在这些部位诱导血栓形成、内皮损伤和血液凝固（Rajendran和Chandrasekaran，2023年）。此外，PS-NPs可以增强红细胞的粘附性并促进凝血酶的生成，其中NH₂-NPs在诱导红细胞血栓形成方面表现出最强的效应（Kim等人，2022年）。然而，NH₂-NPs诱导血管损伤的精确分子机制仍有待阐明。因此，有必要根据聚合物的化学性质及其表面修饰来理解纳米塑料在血管中的行为。

焦亡是一种炎症性细胞死亡形式，可导致细胞破裂和细胞内物质的释放（Shi等人，2017年）。最近的研究表明，焦亡与动脉粥样硬化密切相关，增加了斑块的不稳定性（Broz等人，2020年）。GSDMD是细胞焦亡机制中的关键蛋白（Broz等人，2020年）。有证据表明，GSDMD参与了动脉粥样硬化的发生、进展和并发症，与内皮细胞和巨噬细胞有关（Shi等人，2015年）。内皮细胞的激活促进了动脉粥样硬化的进展，导致粘附分子的表达和巨噬细胞的迁移，而巨噬细胞内化低密度脂蛋白所引起的氧化环境是动脉粥样硬化的关键因素（Tsimikas和I Miller，2011年）。

鉴于PS-NPs的毒性可能因粒径和官能团修饰而异，本研究选择了不同粒径和氨基修饰的PS-NPs进行探讨。先前的研究表明，NPs可以在颈动脉斑块中被检测到（Marfella等人，2024年），并且能够通过循环系统运输（Leslie等人，2022年），从而在血管组织中积累并随后引发病理变化（Lett等人，2021年）。因此，本研究旨在阐明不同粒径和氨基修饰的PS-NPs通过NF-κB/NLRP3/GSDMD信号通路介导的焦亡促进HUVECs血管损伤的机制。此外，还利用人类急性单核细胞白血病（THP-1）细胞的粘附性和迁移能力进一步阐明了PS-NPs对心血管系统的有害影响。这些结果为血管损伤提供了宝贵的见解，并对人类健康风险评估具有重要意义。

化学物质

20纳米原始聚苯乙烯纳米塑料（20纳米NPs）、20纳米氨基修饰聚苯乙烯纳米塑料（20纳米NH₂-NPs）、40纳米原始聚苯乙烯纳米塑料（40纳米NPs）和80纳米原始聚苯乙烯纳米塑料（80纳米NPs）购自上海 Huge Biotechnology Company（中国上海）。在测量之前，使用超声波装置（JY92-ⅡDN，宁波Scientz Biotechnology CO., LTD，中国）对颗粒悬浮液进行了超声处理和分散。

PS-NPs的表征

研究了四种不同PS-NPs的水动力直径和ζ电位。结果表明，20纳米NH₂-NPs、20纳米、40纳米和80纳米NPs（20 μg/mL）的水动力直径分别为29.28 ± 2.84纳米、28.07 ± 2.56纳米、48.54 ± 0.73纳米和93.22 ± 1.19纳米。20纳米NH₂-NPs、20纳米、40纳米和80纳米NPs的ζ电位分别为28.63 ± 0.90 mV、-31.10 ± 0.57 mV、-31.93 ± 1.58 mV和-29.67 ± 0.98 mV（表S1）

讨论

HUVECs的损伤会导致血管完整性的破坏，并影响动脉斑块的形成和发展。随后，HUVECs可以招募THP-1细胞并将其转化为泡沫细胞，从而促进脂质积累。目前，NPs在生物体内积累并对人类构成威胁（Wang等人，2021年）。然而，在血管损伤的研究中，NPs仅限于血管毒性的方面，其潜在机制仍有待探索。

结论

本研究证实了PS-NPs能够损伤内皮细胞和巨噬细胞。具体而言，PS-NPs触发了HUVECs中的NF-κB/NLRP3/GSDMD介导的焦亡。此外，20纳米NH₂-NPs的暴露增强了THP-1单核细胞的粘附性和迁移能力，促进了细胞内脂质的积累，并上调了ICAM-1和VCAM-1的表达。值得注意的是，粒径较小的氨基修饰PS-NPs产生了最明显的效果。这些结果探讨了动脉粥样硬化的机制

CRediT作者贡献声明

王乐：正式分析。孙晓丹：软件处理。曹向宇：资金获取、概念构思。刘丹：方法学、资金获取。陈俊亮：撰写——初稿、可视化、研究、正式分析、数据管理。王金宁：验证、方法学。程叶：撰写——审阅与编辑、方法学、研究

未引用参考文献

Cao等人，2019年；Tsimikas和I Miller，2011年；Wei等人，2022年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

数据可用性声明

数据可应合理要求向作者索取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了辽宁省自然科学基金项目（编号：2024-MS-01）、辽宁省教育厅项目（编号：LJ212410140028、LJ212410140093）、中国博士后科学基金会项目（编号：2024M763579）以及辽宁省科技计划联合项目（编号：BSQD202404）的支持。