聚苯乙烯纳米塑料通过刺激PPARγ的核转运来促进脂肪生成

《Food and Chemical Toxicology》：Polystyrene nanoplastics promote adipogenesis by stimulating nuclear translocation of PPARγ

纳米塑料对脂肪生成的调控机制研究。采用聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）探讨其通过促进PPARγ核转位影响脂肪细胞分化和脂质合成的作用。结果显示PS-NPs在1-100 μg/mL浓度范围内剂量依赖性激活脂肪生成相关基因，加速细胞周期进程，导致甘油三酯异常积累。分子动力学模拟证实PS-NPs与PPARγ核定位信号存在结合作用。

　　

郑玉辰|刘子佳|赵子杰|盛超|李文卓|唐铎|宁云璐|周仁航|李敖|周志祥

北京工业大学化学与生命科学学院，北京，100124，中国

摘要

作为一种新兴污染物，纳米塑料（NPs）在食物链和环境中广泛存在，引发了对其潜在毒性的担忧。然而，它们对脂质代谢稳态的影响及其背后的机制仍不清楚。本研究使用常见的食品包装材料聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）来探讨其对脂肪生成分化和脂质合成的影响。研究结果表明，在口服暴露10天后，PS-NPs在小鼠的脂肪组织中显著积累。在1-100 μg/mL的暴露浓度范围内，PS-NPs显著增加了与脂肪生成相关的基因表达，加速了早期分化过程中的有丝分裂克隆扩增（MCE），并增强了3T3-L1前脂肪细胞的甘油三酯（TG）积累，从而导致脂肪生成和脂质生成。这些效应与暴露浓度呈正相关。蛋白质定量和免疫荧光分析显示，PS-NPs促进了过氧化物酶体增殖活化受体γ（PPARγ）的核转位。分子动力学模拟证实，PS-NPs与PPARγ的核定位信号（NLS）区域结合。这些发现提示了一种新的分子机制，即PS-NPs通过NPs-蛋白质相互作用影响PPARγ的亚细胞定位，从而触发脂肪生成程序。本研究为纳米塑料的安全评估和毒理学提供了宝贵的见解。

引言

由于塑料具有优异的绝缘性、低密度和高机械强度，被广泛应用于现代制造和日常生活中（Geyer等人，2017年）。塑料生产的迅速扩张给全球废物管理系统带来了巨大压力。到2050年，近12,000吨废弃塑料可能最终进入垃圾填埋场或自然环境，对生态系统构成严重威胁（Geyer等人，2017年）。在环境中，废弃塑料会发生水解、紫外线降解、机械磨损和微生物分解，逐渐碎裂成微塑料（MPs，<5 mm）和纳米塑料（NPs，<1000 nm）（Gigault等人，2018年）。研究表明，环境水中的NPs浓度可达到1.17 μg/L（Okoffo和Thomas，2024年）。NPs也在土壤和空气中被检测到，尽管其丰度因地区而异（Luo等人，2024年；Nath等人，2024年）。这些微粒的小尺寸使其可以通过摄入、吸入或皮肤接触进入人体，并在组织和器官中积累（Gou等人，2024年；Paul等人，2020年；Tang等人，2023年）。其中，饮食摄入是接触MPs和NPs的直接途径。在多种基本人类食物来源中都发现了MPs和NPs，包括受MPs和NPs污染的饮用水、酒精饮料、蜂蜜、盐和茶叶、蔬菜、水果和谷物，以及在水生食物网中发生生物积累和生物放大的鱼类和贝类（Ayd?n等人，2023年；Chu等人，2022年；Kim等人，2018年；Kutralam-Muniasamy等人，2020年；Li等人，2022年；Mason等人，2018年；Mohajerani和Karabatak，2020年）。此外，加工和包装即食食品的增加也导致了MPs和NPs的逐渐增加（Hernandez等人，2019年；Karami等人，2018年）。研究表明，人体血液样本中可测量的NPs平均浓度为1.6 μg/mL，最高浓度为7.1 μg/mL（Leslie等人，2022年）。NPs也在人体器官中被发现。在一些脑样本中，NPs浓度达到了8861 μg/g（湿重），远高于肝脏（约433 μg/g）和肾脏（约404 μg/g）（Nihart等人，2025年）。这些结果表明，NPs可以进入血液并分布到不同器官。环境中的NPs暴露水平高于MPs，其生物活性通常与颗粒大小成反比（Choi等人，2015年）。由于NPs的表面积较大，它们进入生物体后很快会被蛋白质包裹，形成“蛋白质冠层”，影响其分布、稳定性和毒理学效应（Gigault等人，2021年）。随着对NPs生物安全性的担忧不断增加，世界卫生组织（WHO）强调了评估NPs暴露相关潜在健康风险的必要性（WHO，2022年）。

自20世纪以来，脂质代谢紊乱已成为一个全球性的公共卫生问题，与肥胖、胰岛素抵抗及相关代谢疾病密切相关。脂肪生成是维持脂肪组织稳态的核心生物学过程，包括前脂肪细胞的增殖、分化和脂质积累等阶段（Ghaben和Scherer，2019年）。3T3-L1细胞系因其稳定的分化和明确的调控途径而被广泛用于脂肪生成研究（Gregoire等人，1998年）。在分化早期阶段，生长停滞的前脂肪细胞重新进入细胞周期并通过G1/S检查点，启动有丝分裂克隆扩增（MCE），这通常包括大约两轮细胞分裂，是激活脂肪生成程序所必需的（Gregoire等人，1998年）。完成MCE后，细胞进入终末分化阶段，并逐渐激活定义脂肪细胞身份的转录网络。在关键调控因子中，过氧化物酶体增殖活化受体γ（PPARγ）和CCAAT/增强子结合蛋白α（C/EBPα）是驱动前脂肪细胞向成熟脂肪细胞转化的重要转录因子（Guo等人，2015年）。在脂肪细胞分化的中期到后期阶段，这两种因子的表达以协调的方式增加，这种协同激活增强了负责脂质滴形成、脂质摄取和甘油三酯（TG）合成的基因转录（Guo等人，2015年）。在代谢水平上，二酰基甘油酰基转移酶1（DGAT1）是甘油三酯合成的最终限速酶，在分化最后阶段显著增加，催化二酰基甘油与脂肪酸酰基-CoA的酯化反应。同时，脂肪酸合成酶（FASN）逐渐增加，促进从头脂肪酸的产生，为甘油三酯积累提供底物（Seo等人，2018年）。随着脂质滴的扩大，细胞逐渐获得成熟脂肪细胞的形态和功能特征。成熟脂肪细胞还分泌调节全身代谢稳态的脂联素等脂肪因子，其中瘦素和脂联素是两个主要因素（Ceja-Galicia等人，2022年）。瘦素随着脂肪细胞的成熟而增加，作用于下丘脑调节食欲和能量消耗，而脂联素提高全身胰岛素敏感性，改善葡萄糖耐受性，并参与抗炎和抗动脉粥样硬化作用（Friedman和Halaas，1998年；Zhao等人，2021年）。因此，这些基因被广泛用作脂肪生成和脂质积累研究的经典标志物。

尽管过量摄入热量和减少体力活动被认为是导致代谢失衡的主要原因，但环境化学污染物的快速增加也可能在破坏脂质稳态中起重要作用（Hill和Peters，1998年）。多项研究表明，某些环境污染物会影响脂质合成和分解途径，导致脂肪积累和代谢异常。例如，邻苯二甲酸酯如二（2-乙基己基）邻苯二甲酸酯（DEHP）和苯基丁基邻苯二甲酸酯（BBP）会影响促进脂肪生成的转录调节因子（da Costa等人，2023年；Sargis等人，2010年）。双酚A（BPA）可以通过干扰糖皮质激素受体功能来改变脂肪代谢。然而，将MPs和NPs暴露与脂质代谢紊乱联系起来的分子机制仍大部分未得到探索（Sargis等人，2010年）。

聚苯乙烯（PS）常用于食品储存和包装材料的制造，其降解周期很长，可持续数百年，导致高环境持久性，增加了生物暴露的可能性（Chamas等人，2020年）。因此，我们使用PS-NPs作为代表性材料来研究其对脂肪生成分化和脂质生成的影响，特别关注其对转录因子PPARγ的调控作用。进一步应用分子动力学模拟揭示了潜在的分子机制，并强调了NPs-蛋白质相互作用在PS-NPs引起的脂质代谢紊乱中的作用。

部分内容摘录

化学物质和试剂

DMEM培养基（11995073）、胎牛血清（A5256701）和青霉素-链霉素（15140148）购自Gibco（美国加利福尼亚州格兰德岛）。Cell Counting Kit-8（CCK-8；CK04）购自Dojindo（日本熊本）。细胞周期和凋亡分析试剂盒（C1052）以及核和细胞质蛋白提取试剂盒（P0027）购自Beyotime（中国上海）。3-异丁基-1-甲基黄嘌呤（R023791）、地塞米松（R010148）和胰岛素（R008974）购自RAWN

PS-NPs穿透脂肪组织并在脂肪组织和脂肪细胞中积累

本研究中使用的PS-NPs具有相对均匀的粒径分布，在超纯水中的流体动力学直径与标称粒径一致（文本S1）。为了研究PS-NPs在体内的积累和组织分布，小鼠每天口服25 nm PS-NPs，剂量为100 mg/kg，持续10天。H&E染色显示暴露后结肠黏膜上皮明显受损，包括腺体结构破坏和隐窝部分丧失（图1A）。这些结果

讨论

作为新兴的环境污染物，纳米塑料在生态系统中广泛存在，人类不可避免地通过摄入、吸入或皮肤接触与这些颗粒接触（Gou等人，2024年；Paul等人，2020年；Tang等人，2023年）。在这些途径中，塑料颗粒的口服暴露可能导致它们在多个器官和组织中积累，包括心脏、肝脏、肺、肾脏、大脑和肠道（Liu等人，2022年；Lu等人，2018年；Yang等人，2019年）。过去

结论

在本研究中，我们使用常见的食品包装材料聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）作为模型材料，证明了PS-NPs通过蛋白质吸附促进脂肪生成分化和脂质生成。在口服暴露10天后，在脂肪组织中检测到了PS-NPs。在1-100 μg/mL的浓度范围内，PS-NPs剂量依赖性地上调了与脂肪生成相关的基因表达，加速了脂肪生成分化，增加了甘油三酯

作者贡献声明

郑玉辰：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原始草稿，方法学，研究。刘子佳：研究，数据管理。赵子杰：方法学，数据管理。盛超：方法学，研究。李文卓：资源，方法学。唐铎：研究，正式分析。宁云璐：研究，正式分析。周仁航：方法学，研究。李敖：研究，正式分析。周志祥：写作 – 审稿与编辑，监督，资源，资助

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金 [编号：42477454]和国家重点研发计划 [编号：2023YFC3905102]的支持。