《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Repeated inhalation exposure to polystyrene nanoplastics induced sustained pulmonary injury and fibrosis in mice
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本刊推荐：为阐明大气纳米塑料（NPs）反复吸入暴露的肺毒性及其在暴露停止后的持久性，研究人员以聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs，25/100/500 nm）为模型，通过小鼠气管滴注构建4周暴露（EXP）及2周暴露后（PEP）模型。研究发现，PS-NPs在肺部持续蓄积并易位至心、肝、脾、肾，导致肺泡上皮屏障损伤、炎症、氧化应激、肺功能障碍及纤维化，且毒性呈粒径依赖性（25 nm > 100 nm > 500 nm）。暴露停止后损伤仍持续存在，表明其效应短期不可逆。研究证实巨噬细胞极化（M1/M2）参与了纤维化进程。该工作为评估空气纳米塑料的呼吸健康风险提供了关键毒理学证据。
您是否曾想过，每天呼吸的空气中，除了熟悉的PM2.5，还潜藏着一种新兴的、肉眼不可见的威胁——纳米塑料？它们来自大块塑料的降解，凭借微小的尺寸（通常小于1000纳米）和轻盈的体态，能够长时间悬浮在大气中，随着我们的每一次呼吸，悄无声息地侵入肺部最深处。相较于微塑料，纳米塑料因其更小的粒径和更大的比表面积，被认为更难被机体清除，可能引发更严重的健康效应。然而，关于它们通过呼吸道反复进入体内后，究竟会造成怎样的伤害？这些伤害是暂时的还是会持续存在？其背后的作用机制是什么？科学界对此仍知之甚少，特别是缺乏模拟现实长期暴露场景的研究。针对这一知识空白，由中国科学院应用生态研究所污染生态与环境工程重点实验室的韩志阳、王栾、李想、代雨萌、关昕宇、苏振成、李旭、王秀娟、李铁刚、徐明凯组成的研究团队，在《Ecotoxicology and Environmental Safety》期刊上发表了一项重要研究。他们系统探究了反复吸入不同粒径聚苯乙烯纳米塑料对小鼠肺部健康的长期影响，并追踪了暴露停止后损伤的恢复情况，揭示了纳米塑料诱导持续肺损伤和纤维化的惊人能力及其潜在机制。
为了深入探究上述问题，研究人员采用了几项关键技术方法。他们以6-8周龄雌性C57BL/6小鼠为模型，通过气管滴注技术，模拟纳米塑料的吸入暴露。研究中使用了经尼罗红荧光标记的25纳米、100纳米和500纳米三种粒径的聚苯乙烯纳米塑料，设定了1毫克/千克和5毫克/千克（体重）两个剂量，每周暴露三次，持续四周（暴露期，EXP），随后停止暴露并观察两周（暴露后时期，PEP）。利用小动物活体成像系统监测纳米塑料在活体小鼠及离体主要器官（肺、心、肝、脾、肾）中的分布与蓄积。通过苏木精-伊红染色、马松三色染色评估肺组织病理变化与胶原纤维沉积；采用免疫组织化学技术检测肺泡上皮屏障相关蛋白（Occludin， SP-D）、炎症与纤维化标志物（CD45， α-SMA）以及巨噬细胞极化标记物（iNOS， CD206）；利用活性氧荧光探针检测肺组织氧化应激水平；通过实时荧光定量PCR分析炎症因子（IL-1β， TNF-α， IL-4， IL-10）及黏蛋白基因（Muc5ac， Muc5b）的转录水平；并借助无创肺功能仪测定小鼠的呼吸功能参数。
3.1. PS-NPs在小鼠体内的蓄积与分布
研究人员发现，经气管滴注的尼罗红标记PS-NPs广泛分布于小鼠胸腹部，并在暴露期结束时在肺部大量蓄积。值得注意的是，即使在停止暴露两周后，肺部仍能检测到强烈的荧光信号，表明纳米塑料在肺组织中持续存在。对离体器官的成像分析进一步显示，PS-NPs能从肺部易位至心脏、肝脏、脾脏和肾脏。荧光显微镜观察肺组织切片证实，PS-NPs可被肺泡上皮细胞内吞，甚至形成聚集体。这些发现直接证明了吸入的纳米塑料能在肺部长期滞留，并具有向其他器官转移的潜力。
3.2. PS-NPs诱导小鼠肺泡上皮屏障损伤
肺泡上皮屏障是抵御外来有害物质的第一道防线。研究显示，暴露于PS-NPs，特别是较小粒径（25纳米和100纳米）的颗粒，会导致紧密连接蛋白Occludin和肺表面活性蛋白D的表达显著降低。同时，黏蛋白基因Muc5ac和Muc5b的转录水平也普遍下调。这些变化表明，PS-NPs破坏了肺泡上皮屏障的完整性。这种破坏呈现出明显的粒径依赖性，即粒径越小，造成的屏障损伤越严重、越持久。
3.3. PS-NPs诱导肺组织病理变化、炎症和氧化应激
屏障的破坏为纳米塑料深入肺组织创造了条件。组织病理学观察发现，暴露PS-NPs的小鼠肺组织结构紊乱，肺泡壁增厚，肺泡腔变窄甚至部分塌陷，并伴有炎性细胞浸润，其中以25纳米粒径组病变最为严重。免疫组化检测白细胞共同抗原CD45显示，PS-NP25和PS-NP100暴露引起了显著的肺内白细胞浸润。此外，活性氧检测结果表明，PS-NPs暴露，尤其是高剂量和小粒径暴露，显著诱导了肺组织氧化应激。无论是炎症还是氧化应激，在暴露停止后均未完全消退，证明了其影响的持续性。
3.4. PS-NPs诱导肺功能障碍、胶原纤维沉积和α-SMA升高
持续的肺组织损伤必然影响肺功能。肺功能测试发现，PS-NPs暴露影响了呼吸频率、潮气量、特定气道阻力等多个参数，其中潮气量的下降最为敏感，提示肺通气功能受损。更重要的是，马松染色结果显示，PS-NPs暴露组小鼠肺组织中出现了显著的胶原纤维异常沉积，胶原体积分数显著升高。同时，作为肌成纤维细胞标志物的α-平滑肌肌动蛋白表达也同步上调。这两项指标是肺纤维化的关键特征。研究再次观察到粒径依赖性效应：25纳米PS-NPs诱导的纤维化最为严重和持久。
3.5. PS-NPs诱导小鼠肺部巨噬细胞极化
巨噬细胞在粒子诱导的肺病理中扮演着核心角色。研究人员通过检测M1型巨噬细胞标志物诱导型一氧化氮合酶和M2型标志物CD206，探究了巨噬细胞极化的变化。结果表明，在暴露期，PS-NPs同时促进了巨噬细胞向促炎的M1型和促纤维化的M2型极化，并伴有促炎因子IL-1β和TNF-α转录水平的上调。在暴露后时期，M1标志物表达有所下降，而M2标志物CD206及抗炎因子IL-4、IL-10的转录水平持续升高，导致iNOS/CD206比值下降。这种巨噬细胞极化从M1主导向M2主导的转变，与肺纤维化的持续进展相吻合，提示巨噬细胞极化动态参与了纳米塑料诱导的肺纤维化进程。
3.6. PS-NPs诱导小鼠体重、摄食量和血液学参数改变
除了直接的肺部效应，研究还观察到PS-NPs暴露引起了全身性的生理变化。暴露初期，高剂量PS-NP25组小鼠体重和摄食量出现短暂下降。血液学分析发现，暴露期结束时外周血白细胞总数普遍降低，暴露后时期高剂量组的白细胞减少仍然持续。此外，淋巴细胞比例升高而粒细胞比例降低，提示外周免疫细胞分布发生了改变。
3.7. PS-NPs持续不良反应及与粒径关系的分析
通过将各指标标准化生成热图，研究人员直观地展示了不同粒径、剂量PS-NPs在各时间点引起的综合毒性效应谱。结果清晰地证实，不良反应的严重程度与粒径成反比，PS-NP25的毒性最强，且大部分不良效应在暴露停止后仍持续存在。
综合以上研究结果，可以得出明确结论：反复吸入暴露于聚苯乙烯纳米塑料能够在小鼠肺部造成持续性的蓄积，引发一系列连锁的毒性反应。这一过程始于肺泡上皮屏障的破坏，继而导致肺组织病理损伤、持续的炎症与氧化应激，最终损害肺功能并诱发肺纤维化病变。所有这些毒性效应均表现出显著的粒径依赖性，即粒径越小（如25纳米），毒性越强，引起的肺损伤和纤维化也越严重、越难以在短期内恢复。此外，纳米塑料能从肺部易位至心、肝、脾、肾等其他重要脏器，并引起外周血白细胞减少等系统性改变。机制上，本研究首次在体内模型中初步证实，巨噬细胞的极化动态，特别是从早期促炎的M1型向后期的促修复/促纤维化M2型转变，是纳米塑料驱动肺纤维化进展的一个关键环节。
这项研究的意义重大。它将纳米塑料的毒性评估从急性、短期模型推进到更贴近真实环境状况的反复暴露与暴露后观察场景，有力地证明了纳米塑料吸入暴露的健康风险具有持续性和累积性。研究明确指出了粒径是评估纳米塑料呼吸毒性的关键参数，为未来制定相关环境标准与安全限值提供了重要的科学依据。所揭示的巨噬细胞极化机制，为深入理解纳米塑料致肺纤维化的病理过程开辟了新视角，也可能为相关肺部疾病的干预提供潜在的靶点。总之，该工作为日益严峻的大气纳米塑料污染敲响了呼吸健康的警钟，为环境健康风险评估与风险管理策略的制定奠定了坚实的毒理学基础。
