《Antioxidants》：Sesamin Protects Against Polystyrene Microplastics-Induced Lung Injury via Attenuating Bcl2-Mediated Apoptosis
Yadong Zhang,
Zhenao Zhang,
Huanting Pei,
Chongyue Zhang,
Xiaolong Zhang,
Simeng Qiao,
Siqi Zhu,
Ziyi Wang,
Jingyi Ren and
Yuxia Ma
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本研究首次揭示了天然木脂素类化合物芝麻素（Sesamin, Ses）可有效缓解聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）暴露诱导的小鼠肺组织病理损伤、炎症反应和氧化应激，其保护作用与上调Bcl2、抑制凋亡信号通路密切相关。通过计算药理学结合体内外实验，明确了Bcl2是Ses发挥抗凋亡作用的关键靶点。该研究为从膳食补充角度干预微塑料相关的食品安全风险提供了潜在策略。
引言：微塑料的威胁与芝麻素的潜力
自20世纪50年代大规模生产开始，塑料制品已渗透到人类生活的方方面面。全球塑料废物产量巨大，而微塑料（Microplastics, MPs）作为一种尺寸在0.1 μm至5 mm之间的污染物，可通过摄食等途径进入人体，并在多种生物样本（如肺组织、血液、胎盘）中被发现，构成了重大的食品安全与健康风险。摄入的MPs可经由胃肠道易位进入循环系统，并在肺部显著积累，使肺成为MPs毒性的重要靶器官。研究表明，MPs吸入诱导的小鼠肺损伤机制与细胞凋亡、氧化应激和炎症等多条通路相关，但具体机制尚不完全明确。鉴于日常生活中难以避免地接触塑料制品，开发有效的干预策略以减轻MPs对肺健康的负面影响十分必要。
芝麻素（Sesamin, Ses）是一种来源于芝麻种子的脂溶性木脂素，大量药理学研究证实其具有抗氧化、抗炎和抗凋亡特性。此前有研究发现Ses可通过减轻氧化应激、炎症和细胞凋亡，以剂量依赖的方式缓解脂多糖（LPS）诱导的急性肾损伤。然而，关于Ses能否缓解MPs诱导的肺损伤及其作用机制，目前研究甚少。基于此，本研究提出假设：Ses可能对MPs诱导的肺损伤具有保护作用。研究通过让小鼠饮用含MPs的水，并每日灌胃不同剂量的Ses，结合转录组学、网络药理学以及体内外实验，旨在探究Ses的保护效果并阐明其潜在机制。
材料与方法：多层次的研究设计
本研究采用了多层次的研究方法。在生物信息学分析方面，从基因表达综合（GEO）数据库获取了数据集GSE238065，该数据集包含正常肺上皮细胞和暴露于尼龙纤维的肺上皮细胞的RNA表达谱。利用DESeq2进行差异表达基因（Differentially Expressed Genes, DEGs）分析，并进行了主成分分析（PCA）、富集分析（包括WikiPathways、KEGG、GO和GSEA）以及单样本基因集富集分析（ssGSEA）。
在计算药理学预测方面，通过多个数据库预测了Ses的候选靶点，并与DEGs取交集。利用STRING数据库构建蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络，并通过Cytoscape软件及其插件筛选核心蛋白。同时，采用了随机游走重启（Random Walk with Restart, RWR）技术进行网络结构分析。
动物实验使用30只5周龄雄性C57BL/6小鼠，随机分为5组：对照组、聚苯乙烯微塑料暴露组（PS-MPs）、低剂量Ses组（25 mg/kg）、中剂量Ses组（50 mg/kg）和高剂量Ses组（100 mg/kg）。对照组饮用蒸馏水，其他组饮用含PS-MPs（10,000 μg/L）的水溶液，同时相应组别每日灌胃Ses或羧甲基纤维素钠（CMC）溶液，持续28天。实验结束后，收集肺组织进行后续分析。
评估指标包括肺组织水肿（通过湿重/干重比计算）、组织病理学分析（H&E染色和损伤评分）、氧化应激标志物（活性氧ROS、丙二醛MDA、超氧化物歧化酶SOD、谷胱甘肽GSH、总抗氧化能力T-AOC）、炎症因子（白细胞介素-1β IL-1β、IL-6、肿瘤坏死因子-α TNF-α）水平、细胞凋亡检测（TUNEL法、Western Blot检测Bcl2、Bax、Casp3蛋白表达）。
细胞实验使用小鼠肺上皮细胞系MLE-12，分为对照组、PS-MPs暴露组、PS-MPs+Ses组以及PS-MPs+Ses+Bcl2抑制剂（Venetoclax, VEN）组。通过CCK-8法检测细胞活力，并检测相关氧化应激和凋亡指标。此外，还进行了分子对接模拟，以验证Ses与Bcl2蛋白的结合。
结果
1. 富集分析揭示MPs暴露改变的通路
对转录组数据的分析显示，MPs暴露导致肺上皮细胞中5611个基因表达发生显著变化。富集分析结果表明，差异表达基因在氧化磷酸化、肺纤维化、细胞凋亡、细胞因子与炎症反应、趋化因子信号通路等方面显著富集。单样本GSEA（ssGSEA）分析显示，MPs暴露组的细胞凋亡评分显著高于对照组。基因集富集分析（GSEA）结果进一步证实，MPs暴露激活了肺上皮细胞的凋亡通路。
2. 计算药理学预测Ses的作用靶点
通过网络药理学分析，从多个数据库共检索到54个Ses的潜在作用靶点。将这些靶点与差异表达基因取交集，得到16个共同靶点。对这些交集靶点的KEGG富集分析显示，它们在细胞凋亡、IL-17信号通路、TNF信号通路、化学致癌-活性氧等通路上显著富集。通过多种拓扑算法筛选核心蛋白，并结合随机游走重启（RWR）分析，结果提示Bcl2和Casp3可能是关键节点，尤其是Bcl2在网络中具有较高评分，表明Ses可能通过靶向Bcl2来缓解MPs诱导的肺细胞凋亡。
3. Ses减轻了PS-MPs诱导的小鼠肺损伤
动物实验结果显示，与对照组相比，PS-MPs暴露显著增加了小鼠肺组织的水含量（湿/干重比），而Ses预处理能显著降低此比值。肺组织H&E染色显示，PS-MPs暴露导致肺泡壁显著增厚、炎性细胞浸润和肺水肿，而Ses预处理（尤其是中、高剂量）明显减轻了这些病理改变，并显著降低了肺损伤评分。
4. Ses缓解了PS-MPs诱导的氧化应激和炎症
在氧化应激方面，PS-MPs暴露显著提高了肺组织中活性氧（ROS）和丙二醛（MDA）的水平，同时降低了超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽（GSH）和总抗氧化能力（T-AOC）的活性。Ses预处理则能显著逆转这些变化，降低ROS和MDA水平，并提升SOD、GSH和T-AOC的活性。在炎症反应方面，PS-MPs暴露显著增加了肺组织中促炎细胞因子IL-1β、IL-6和TNF-α的水平，而Ses预处理显著降低了这些因子的浓度。
5. Ses通过靶向Bcl2减轻了PS-MPs诱导的细胞凋亡
Western Blot和TUNEL实验结果表明，PS-MPs暴露显著下调了肺组织中抗凋亡蛋白Bcl2的表达，同时上调了促凋亡蛋白Bax和凋亡执行蛋白Casp3的表达，并增加了细胞凋亡指数。Ses预处理则能显著逆转这些蛋白表达的变化，并降低凋亡指数。分子对接分析证实，Ses能够与Bcl2蛋白稳定结合，结合能为-7.7 kcal/mol，结合位点包括GLN-25、SER-102和SER-113。
6. 体外实验验证Ses的保护作用及Bcl2的关键角色
细胞实验确定了Ses、PS-MPs和Bcl2抑制剂Venetoclax（VEN）的作用浓度分别为20 μM、250 μg/mL和1 μM。CCK-8实验显示，Ses预处理能显著缓解PS-MPs暴露导致的MLE-12细胞增殖能力下降，而这种保护作用在加入VEN后被削弱。同样，Ses能逆转PS-MPs引起的细胞内抗氧化能力（SOD、GSH、T-AOC）下降和ROS水平升高，而VEN预处理则减弱了Ses的这些保护效应。在蛋白水平上，PS-MPs导致Bcl2表达下调，Bax和Casp3表达上调，Ses能显著逆转这些变化，而VEN的加入削弱了Ses的抗凋亡效果。
讨论
本研究表明，摄入PS-MPs可在体内升高肺部的氧化应激、炎症和细胞凋亡水平，而Ses能发挥保护作用。计算药理学结合实验验证阐明，Ses通过靶向Bcl2在PS-MPs诱导的肺损伤中发挥保护作用。氧化应激在肺部疾病的发生发展中起着关键作用，MPs暴露是诱导肺氧化应激的重要风险因素。本研究发现PS-MPs暴露导致ROS和MDA水平升高，SOD、GSH和T-AOC活性降低，而Ses干预能有效逆转这些指标，证实了其抗氧化潜力。炎症同样是MPs诱导肺病进程的核心环节，本研究证实PS-MPs暴露增加了肺组织中TNF-α、IL-1β和IL-6的水平，而Ses预处理能显著降低这些促炎细胞因子，展示了其抗炎能力。
在细胞凋亡方面，Bcl2和Bax是凋亡的关键调节因子，Casp3是凋亡执行的标志蛋白。本研究发现在MPs诱导的小鼠损伤模型中，细胞凋亡在多器官衰竭中起关键作用。实验中，PS-MPs导致Bcl2表达显著降低，Bax和Casp3水平显著升高，而Ses能显著逆转这些变化。预测和验证结果指出Bcl2是Ses的作用靶点，体外实验中Bcl2抑制剂VEN显著削弱了Ses的抗氧化和抗凋亡作用，进一步证实了这一机制。
本研究首次揭示了天然化合物芝麻素在缓解微塑料所致肺损伤中的保护作用及以Bcl2为核心的分子机制，为应对微塑料这一新兴环境污染物带来的健康风险提供了新的干预思路和潜在的膳食补充策略。当然，本研究也存在一些局限性，例如仅使用了单一浓度、尺寸和类型的MPs，未能完全反映真实世界中复杂的人类暴露情况；研究主要集中于探讨Ses的抗凋亡特性，未来研究还可探索本研究中发现的其他显著富集的关键通路。芝麻素作为一种天然植物化学物展现出良好的保护潜力，但在转化为人类预防或治疗策略之前，仍需通过大规模的临床试验进行广泛验证。
