《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Size-dependent toxicological effects of microplastics: A review
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本综述系统分析微塑料/纳米塑料（MNPs）尺寸依赖性毒理效应，指出小尺寸颗粒（尤其亚10微米及纳米级）因更易穿透生物屏障、诱发氧化应激（ROS）与炎症反应，在多器官系统中呈现更强毒性。文章强调统一尺寸分类、暴露计量标准及环境相关性研究对风险评估的重要性，为优先管控难捕获的亚10微米颗粒提供科学依据。
微塑料（Microplastics, MPs）和纳米塑料（Nanoplastics, NPs）统称为MNPs，已成为全球性的环境与健康挑战。随着工业化进程，塑料产量持续攀升，这些塑料废弃物在环境中逐渐破碎成小于5毫米的微塑料乃至更小的纳米塑料。它们不仅遍布生态系统，更在人体胎盘、母乳等多种基质中被检出，引发对特定器官健康风险的深切担忧。在影响MNPs毒性的诸多因素中，颗粒尺寸日益被认为是关键决定因子。本文旨在系统梳理不同尺寸MNPs across major organ systems的毒理学效应，并探讨其内在机制与研究挑战。
1. 引言
自20世纪40年代塑料大规模生产以来，塑料已融入人类生活的方方面面。然而，塑料难以降解，导致其在环境中持久存在，加剧污染。大型塑料废弃物可通过生物或非生物降解过程破碎成更小的碎片，形成MNPs。人类主要通过摄入和吸入每日接触MNPs，这些颗粒已在多种消费品中被发现。更令人担忧的是，MNPs可穿透生物屏障，在人体多种器官和组织中积累，从而潜在地损害人体健康。尽管MNPs的环境与健康意义已得到广泛认可，但在跨系统理解尺寸依赖性毒性方面仍存在重要研究空白。
2. 消化系统
MNPs在环境和生物体内存在于广泛的尺寸范围内。颗粒尺寸被广泛认为是MP毒性的重要决定因素。研究表明，摄入较小颗粒（尺寸范围：13–150微米）可能与更显著的不良效应相关。尺寸效应体现在多个生物学层面，从生物体的摄入和滞留，到细胞应激反应，再到肠道微生物群组成和上皮屏障完整性的改变。
2.1. 水生无脊椎动物的摄食能力与细胞效应
MP颗粒尺寸显著影响水生无脊椎动物的摄食能力、摄入、排泄和细胞反应。在生物体水平，例如大型溞（Daphnia magna）对较小颗粒（如100纳米NPs）的摄入和滞留行为与较大颗粒不同。在细胞水平，不同尺寸的MPs可引发不同的毒理学反应。例如，较小尺寸的MPs（如75纳米、500纳米和1000纳米）在相手蟹（Chiromantes dehaani）中更易诱导肠道细胞凋亡。
2.2. 脊椎动物的积累与毒性
在脊椎动物消化系统中，也观察到类似的MNPs尺寸依赖性效应，特别是在积累和毒性方面。在大鼠中，80纳米和200纳米NPs比500纳米和1000纳米NPs在胃肠道诱发更严重的氧化应激和遗传毒性，且活性氧（ROS）水平随颗粒尺寸减小而升高。体外实验表明，纳米颗粒（50–100纳米）比1微米颗粒更容易被人肠上皮细胞和胃上皮细胞内化。
2.3. 肠道微生物群与炎症反应
MNPs的不同尺寸还会不同程度地影响肠道微生物群组成和肠道炎症反应。在斑马鱼中，与微米级MPs（如8微米）相比，纳米级NPs（如80纳米）更能 disrupt the balance of gut microbiota并引发炎症。小鼠模型中也发现，较小尺寸的PS-MNPs（如20纳米）可引起更严重的肠道菌群失调，并与肠道屏障完整性受损相关。
3. 生殖系统
越来越多的证据表明，MNP暴露可对多种生物体的生殖功能产生不利影响。这种尺寸依赖性效应不仅影响亲代的生殖能力，也影响其后代的生长模式和发育进程。
3.1. 亲代生殖能力
研究表明，较小尺寸的MNPs往往对生殖功能产生更强的影响。例如，暴露于较小尺寸的PS-MNPs（如50纳米和500纳米）比暴露于较大颗粒更能显著诱导氧化应激并损害生殖相关指标。类似地，较小尺寸的尼龙颗粒（13–18微米）对蚯蚓繁殖力的影响大于较大尺寸颗粒（>63微米）。
3.2. 后代生长与发育
除了亲代生殖结局，颗粒尺寸也会影响后代的生长和发育。对太平洋牡蛎（Crassostrea gigas）的研究发现，最小颗粒（50纳米）导致受精成功率和早期幼虫发育的下降幅度最大。在哺乳动物模型中，体外实验显示，人胎盘细胞更容易内化较小的塑料颗粒，并随尺寸减小表现出更强的功能损伤。体内实验证实，NPs暴露比MPs暴露能诱发更严重的胎盘功能障碍和胎儿缺氧。发育中的大脑似乎对NP颗粒特别脆弱。母鼠模型表明，50纳米PS-NPs可通过母乳转移至后代脑中积累，直接破坏发育中大脑的结构。
3.3. 亲代性激素水平
尺寸依赖性模式也在生殖激素指标中有所报道。暴露于不同尺寸PS-MPs的BALB/c小鼠中，0.5微米MPs处理组观察到的促卵泡激素（FSH）水平下降最为明显。
3.4. 人体男性生殖系统中微塑料的发现
MP颗粒已在人类睾丸组织和精液中被检测到。研究表明，人类男性生殖道可暴露于广泛尺寸范围的MNPs，较小尺寸的NPs（25–100纳米）可渗透并损害人类精子细胞，而较大尺寸的MPs（0.5–10微米）主要附着在精子表面。
4. 泌尿系统
近年来，MNP引起的泌尿系统损伤，特别是肾脏损伤，受到越来越多的关注。
4.1. 肾脏损伤
现有证据表明，MNPs在肾脏中的积累程度和肾脏损伤的严重程度可能随颗粒尺寸而异。例如，0.5微米MPs因尺寸依赖性分布，比5微米MPs对C57BL/6小鼠肾脏诱发更严重的炎症和机械损伤。50纳米MNPs在相同暴露水平下比100纳米和500纳米颗粒更易在小鼠肾脏积累，并更易扰乱肾功能。不同尺寸颗粒可能与不同的肾毒性机制特征相关。
4.2. 膀胱损伤
膀胱也可能易受MP诱导的损伤。研究表明，较小直径的PVC颗粒更易进入膀胱结构并阻碍其中微生物的正常功能。小鼠膀胱上皮细胞暴露于不同尺寸PS-MPs时，表现出尺寸依赖的毒性差异，较小颗粒（1–10微米）倾向于诱发更严重的坏死性凋亡。
5. 心血管系统
初步研究表明，MPs可分布于人体组织内，包括血管内部。这些颗粒的分布模式也受其尺寸影响。在人体血栓中发现的颗粒尺寸范围为2.1至26.0微米，其中69%小于10微米。体外实验表明，只有100纳米NPs能被人脐静脉内皮细胞吸收。体内研究也显示，颗粒尺寸与心脏毒性呈负相关，较小颗粒通过促进ROS诱导心肌炎症和心肌细胞凋亡，从而诱发更强的心脏毒性。
6. 神经系统
血脑屏障（BBB）作为重要的生物防御机制，保护大脑免受潜在有害化合物的侵害。研究表明，颗粒尺寸是BBB穿透的重要决定因素。较小尺寸的MNPs（如0.293微米）能在暴露后到达小鼠大脑。
6.1. 对细胞和动物的损伤
塑料颗粒的神经毒性影响随颗粒尺寸不同而在实验模型中变化。减小MNP尺寸从2微米到100纳米再到20纳米，会导致神经细胞培养物中的氧化应激、细胞死亡和神经退行性变显著增加。对斑马鱼幼虫的研究表明，50纳米NPs能通过增强氧化应激和抑制乙酰胆碱酯酶（AChE）活性产生显著的发育神经毒性，而45微米PS-MPs则无显著影响。在金鱼幼虫中，70纳米NPs比5微米颗粒对幼虫运动能力产生更有害的影响。小鼠实验表明，只有100纳米颗粒能在大脑和小脑中检测到荧光强度，表明纳米级组分在大脑中积累更多。
6.2. 呼吸系统
呼吸道是吸入空气中MPs的主要暴露途径。沿呼吸道上皮的尺寸依赖性沉积和清除过程可导致颗粒在整个气道中的不同分布。
6.3. 对水生生物的损伤
鳃组织是鱼类重要的呼吸器官，也是MP积累的主要部位。研究表明，MNPs对金鱼鳃组织造成的病理损伤严重程度呈现尺寸依赖性模式。较大MPs（250–300微米）比较小MPs（45–53微米）在斑马鱼鳃中诱导更显著的基因表达变化。然而，较小颗粒（10–45微米）在暴露组织（包括鳃）中能诱导更强的氧化应激、脂质过氧化、DNA损伤等反应。这些发现表明，鳃毒性的表观尺寸效应可能是终点依赖性的。
6.4. 对哺乳动物的损伤
对哺乳动物而言，长期暴露于不同尺寸PS-MPs的C57BL/6小鼠中，较小PS-MNPs通过激活核因子κB（NF-κB）信号通路，在肺部引发更显著的氧化应激、炎症反应和细胞凋亡，导致更严重的肺纤维化。空气传播的PS-MNPs也能改变ICR雄性小鼠的鼻腔微生物群，且MPs对肺部微生物群组成的影响比NPs更显著。
6.5. 对人肺细胞的损伤
来自人肺细胞的体外证据表明，PS-MNPs的摄取存在尺寸依赖性模式。在70–500纳米范围内，较小颗粒表现出较低的内化质量，但以颗粒数量表示时则摄取更高。较小PS-MNPs有可能通过诱导上皮-间质转化（EMT）机制导致更严重的肺纤维化。
7. 讨论
7.1. 尺寸依赖性毒性机制
跨生物系统尺寸依赖性毒性的一致模式，最初由尺寸影响的内部归宿（沉积/滞留、转运和清除）以及随后的细胞摄取和细胞内积累所驱动。较小MNPs由于具有更高的比表面积和生物利用度，表现出比大颗粒显著增强的细胞摄取。这些特性使小颗粒能更有效地与细胞膜相互作用，增加其与膜疏水区域的结合，从而更容易通过内吞途径被内化。一旦被内化，小颗粒倾向于主要积累在溶酶体中，而大颗粒则不易积累，更可能通过溶酶体胞吐作用被排出。小MPs的较高积累促进了它们与细胞器（如线粒体和内质网）的相互作用，促进ROS的产生。除了氧化应激，小MPs更易激活免疫系统，触发一系列免疫反应，包括释放促炎细胞因子，如肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白细胞介素-1β（IL-1β）、IL-6和IL-8。在器官系统层面，这些共享的细胞过程表现为不同的损伤模式。
7.2. 当前研究现状与争议
本文综合了关于MNP尺寸与毒理学影响关系的现有研究。在不断增长的证据中，出现了一个大致一致的模式：在许多实验环境下，较小MNPs倾向于 across multiple biological systems 引发更强的毒理学效应。然而，也存在不同的研究结果，凸显了尺寸-毒性关系 across different biological systems 的复杂性。我们将这些差异主要归因于五个变异来源：颗粒性质、颗粒尺寸分类与测量、终点选择、暴露表征（包括剂量度量）和生物模型。这些因素阻碍了跨研究可比性，并导致不一致的发现。
7.3. 人体新发现
相当数量的实验和转化研究聚焦于MNPs在人体内的检测和潜在影响。近期研究表明，MPs可通过多种暴露途径进入人体，并已在跨越心血管、内分泌、消化、皮肤、呼吸、淋巴、泌尿和生殖系统的多种器官系统中被检测到。重要的是，新出现的临床证据表明，体内MNP负荷可能与不良心血管结局相关。然而，特定颗粒尺寸与疾病风险之间的直接流行病学联系仍然有限，因为大多数可用研究主要将结局与总体负荷而非颗粒尺寸相关联。
7.4. 挑战与展望
这些发现凸显了MNP相关危害的严重性，但其本身并不能减少MNPs造成的伤害。鉴于日益加重的污染负荷以及MNPs作为重金属和其他污染物载体的能力，实际进展不仅需要源头控制和减缓，还需要更清晰、可操作的研究优先事项以解决尺寸依赖性毒性问题，特别是针对难以监测和清除的小颗粒。为了建立能够有意义指导风险评估和减缓的证据，应解决尺寸依赖性毒性的几个方法学优先事项。在政策层面，这些考虑支持更有针对性的管理，以反映尺寸依赖性风险和实际去除限制。特别是<10微米部分值得优先关注，因为它更难被现有处理方法捕获，并且可能具有更高的生物可利用性。
8. 结论
在消化、生殖、泌尿、心血管、呼吸和神经系统中积累的证据表明，较小MNPs通常比大颗粒引发更强的毒理学反应，这与增强的细胞摄取、跨生物屏障的转运和更广泛的组织分布相一致。从机制上讲，颗粒尺寸可以调节暴露相关过程（如沉积/滞留、清除和转运）和下游反应（如氧化应激、炎症和通路特异性损伤），导致终点和器官依赖性的结局。在此背景下，鉴于MNP在人体相关基质和组织（如胎盘和母乳）中存在的证据不断增加，以及在一些模型中报道的具有潜在长期影响的生殖/发育干扰，阐明尺寸分辨的内部暴露和机制对于风险评估仍然至关重要。未来的工作应优先考虑统一的尺寸分类和报告、标准化的暴露度量（包括适当的剂量描述符）、环境相关的测试材料以及长期/低剂量暴露设计，以加强跨研究可比性和机制推断。这些进展也将支持更可操作的、针对尺寸的监测和减缓策略，特别强调难以捕获的<10微米部分，并在可行的情况下制定尺寸特异性管理目标或排放限制。
