《Current Opinion in Toxicology》：Organ-on-Chip Systems in Micro- and Nanoplastic Toxicology: A Selective Revolution for Human Health
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微纳米塑料（MNPs）毒性评估需突破传统模型局限，器官芯片（OoC）技术通过模拟器官间通讯、疾病状态改变及动态屏障渗透，为精准毒理学提供新工具，但存在材料干扰、吞吐量低等问题，需结合高通量筛选与OoC机制研究的分层框架。
Gurusamy Kutralam-Muniasamy | V.C. Shruti | Fermín Pérez-Guevara | Ricardo Cuenca Alvarez
CIITEC - IPN（墨西哥国立自治理工学院技术研究与创新中心）。地址：Cda. de Cecati s/n, Santa Catarina, Azcapotzalco, 02250, 墨西哥城, CDMX
摘要
评估微塑料和纳米塑料（MNPs）对人类健康的风险需要改变毒理学的研究范式。传统的体外和体内模型无法完全反映人类暴露和生理反应的复杂性。器官芯片（Organ-on-chip, OoC）技术提供了一个有前景的替代方案——虽然它不是万能的解决方案，但可以作为研究传统方法无法解决的机制问题的精密工具。本文综述了OoC技术在三个关键领域的潜在应用：(1) 器官间的相互作用（例如肝脏与心脏之间的代谢交流），(2) 疾病状态下的脆弱性（例如克罗恩病患者肠道对塑料的吸收增强），以及(3) 物质通过生物屏障的动态传输（例如大小依赖性的血液-大脑转移）。尽管OoC技术具有很大潜力，但仍面临材料伪影、通量低以及缺乏与人类生物标志物数据验证的挑战。我们提出了一种分层的混合研究框架：首先通过计算和高通量检测方法识别高风险纳米塑料，然后利用OoC技术揭示特定于人类的机制，同时兼顾研究的可扩展性和生理相关性，并支持对慢性低剂量暴露的监管评估。
引言
微塑料和纳米塑料（MNPs）是普遍存在的污染物，人类可通过摄入、吸入和皮肤接触接触到这些物质。然而，现有的毒性评估模型存在不足：体外系统缺乏生理整合性，而体内模型则受到物种间差异的限制。器官芯片（OoC）技术为解决这些问题提供了新的途径，它能够模拟人体组织界面和生物屏障功能，从而研究复杂的生理现象，如器官间的相互作用和疾病状态下的物质吸收变化（图1，表S1）。早期关于肝脏-心脏相互作用[8]和血脑屏障（BBB）传输[9]的研究已经展示了这一技术的潜力。尽管如此，OoC技术仍面临材料伪影、通量低以及缺乏人类数据验证等挑战。因此，本文采用了一种分层混合研究框架，首先利用计算和高通量方法筛选高风险纳米塑料，再通过针对性的OoC研究揭示人类特有的机制，从而在可扩展性和生理相关性之间取得平衡，并为慢性低剂量暴露的监管评估提供依据。
动物模型的局限性
动物模型在模拟微塑料和纳米塑料对人类健康的影响方面存在局限性，这主要源于物种间的代谢、免疫系统和生物屏障功能的差异。器官芯片（OoC）技术通过使用人类来源的细胞并在动态结构中模拟体内生理环境，有效弥补了这些不足（表1）。例如，Cheng的研究就是一个很好的例子。
OoC技术的挑战
尽管OoC技术具有巨大潜力，但在实际应用中仍面临诸多挑战，这些挑战涉及技术设计、生理相关性和转化应用价值等方面，从而影响了其广泛应用。这些问题包括技术实现难度、生理相关性的验证以及与人类数据的关联程度。
分层混合研究框架：结合高通量筛选与OoC机制研究
为了实现OoC技术的有效应用，我们提出了一种分层混合研究框架（图2）。第一层级采用高通量体外检测方法（如细胞系筛选和斑马鱼胚胎实验），对大量纳米塑料样本进行评估。通过两种互补策略筛选“高风险”候选物：(1) 基于急性细胞毒性、发育毒性或氧化应激等指标的生物活性；(2) 纳米塑料的固有特性。
结论
器官芯片技术为微塑料和纳米塑料的毒性研究带来了重要进展。其价值不在于取代传统模型，而在于揭示传统模型难以捕捉的人类特异性机制，如器官间的相互作用、生物屏障动态变化以及疾病状态对物质传输的影响。然而，OoC技术仍面临操作成本高、重复性差和可扩展性受限等问题。未来的研究应重点关注环境现实性（如材料老化效应和生物膜对纳米塑料的影响）。
作者贡献声明
V.C. Shruti – 构思、方法设计、数据收集与分析、文章撰写（初稿）；Gurusamy Kutralam-Muniasamy – 构思、方法设计、数据收集与分析、文章撰写（初稿）；Fermín Pérez-Guevara – 资源支持；Ricardo Cuenca Alvarez – 资源支持。所有作者都对本文的撰写做出了贡献并审核了最终版本。
关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
作者在撰写过程中使用了ChatGPT来提供文本改进建议，以提高文章的可读性和写作风格。使用该工具后，作者对内容进行了必要的修改，并对出版物的内容负全责。
利益声明
作者声明不存在可能影响本文研究的利益冲突或个人关系。
致谢
Gurusamy Kutralam-Muniasamy感谢CONAHCYT提供的2024年博士后研究资助（项目编号EPM(1) 2024）以及SECIHTI的支持；V.C. Shruti感谢SECIHTI（国家科学技术委员会，项目编号CBF-2025-I-782）的财务支持。
