《Toxicology》：Co-exposure to polystyrene nanoplastics and cadmium induces apoptosis in intestinal cells: Role of the IP3R/Ca2?/STAT3 signaling pathway
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研究采用线虫和Caco-2细胞模型，探讨PS-NPs与镉协同暴露对肠道凋亡的影响，发现其通过IP3R/Ca2?/STAT3通路介导毒性，抑制该通路可显著缓解凋亡，为复合污染物风险评估提供机制依据。
杨海涛|吴丽青|牛书彦|郭梦豪|刘晨宇|吴天舒|崔梦静|薛玉英
教育部环境医学与工程重点实验室，东南大学公共卫生学院，南京210009，中国
摘要
塑料产品的广泛使用将纳米塑料（NPs）污染提升为一个全球性的关键问题，其中聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）和镉（Cd）已成为常见的环境污染物，它们的共存及其联合毒性日益引起科学界的关注。肠道作为主要的异生物质暴露部位，是PS-NPs和Cd单独或联合暴露的主要目标。尽管PS-NPs和Cd各自的肠道毒性机制已得到充分研究，但它们的联合效应尤其是在分子水平上仍知之甚少。本研究利用秀丽隐杆线虫（C. elegans）和Caco-2细胞模型，探讨了环境相关浓度的PS-NPs和Cd对肠道凋亡的联合效应以及IP3R/Ca2+/STAT3通路在其中的调节作用。在秀丽隐杆线虫中，72小时暴露于10 μg/L的PS-NPs和5 μg/L的Cd会导致发育迟缓、肠道结构异常以及凋亡相关基因和IP3R/Ca2+/STAT3通路关键组分的表达失调。在Caco-2细胞中的平行实验表明，24小时共同处理20 μg/mL的PS-NPs和0.25 μg/mL的Cd会显著增加凋亡率并引发内质网应激。分子分析显示，这些效应是通过增加IP3R的磷酸化、提高胞质Ca2+浓度以及增强下游效应因子STAT3的磷酸化来实现的。值得注意的是，通过药理学抑制IP3R（2-APB，10 μM）、螯合Ca2?（BAPTA，10 μM）或抑制STAT3的磷酸化（stattic，5 μM）可以显著减轻PS-NPs和Cd诱导的凋亡。这些结果确立了IP3R/Ca2?/STAT3通路在纳米塑料和重金属共同暴露下调节肠道凋亡的关键作用，为联合污染物暴露的环境风险评估提供了机制基础。
引言
塑料因其轻质、成本效益高和可塑性而在食品包装、医疗设备和消费品中得到广泛应用，2018年的全球产量达到3.59亿吨，并预计到2050年将超过330亿吨（Bhattacharya和Khare，2020年）。然而，广泛的塑料废物对生态系统和人类健康构成了威胁。微塑料（MPs，<5 mm）最初定义于2004年，来源于塑料降解、轮胎磨损和合成纺织品（Issac和Kandasubramanian，2021年；Luo等人，2025年），并可进一步分解为粒径更小、流动性更强的纳米塑料（NPs）（Xu等人，2026年）。值得注意的是，聚苯乙烯塑料因其高脆性和较差的耐热性而特别值得关注，这使它们更容易形成纳米塑料（Polruang等人，2025年）。目前，纳米塑料因其环境持久性、生物累积性和健康风险而引发越来越多的担忧，这些风险归因于它们的微小尺寸、较大的表面积、污染物吸附能力和穿越生物屏障的能力（Kihara等人，2021年；Schroter和Ventura，2022年）。镉（Cd）是环境中主要的重金属污染物，广泛应用于染料、电镀、合金、电池制造、塑料稳定剂和颜料等行业。随着工业化的加速和人类活动的加剧，环境中的镉含量显著增加，主要在水生、陆地和大气环境中积累（Li等人，2023年）。根据中国国家土壤污染调查公报，整体土壤污染率为16.1%，其中镉的超标率最高（7.0%）（
https://www.mee.gov.cn/），这突显了镉污染的严重性及其显著的生态和健康危害。纳米塑料由于其较大的比表面积和低表面极性，能够高效吸附环境中的金属离子，形成单一的、多分散的共暴露系统，显著改变金属的生物累积过程并可能放大其毒性效应（Seidensticker等人，2019年；Khalid等人，2021年）。研究表明，纳米塑料表面的金属浓度远高于背景环境水平——例如，PS-NPs可以积累比周围介质高800倍的金属（Naqash等人，2020年）。实地测量进一步证实了纳米塑料对金属的强亲和力，例如对英格兰海滩纳米塑料的分析显示，6.9%的样本中镉浓度超过1.0×103 μg/g（Massos和Turner，2017年），而淡水沉积物样本中的镉浓度达到17.56 μg/g（Wang等人，2017年），这与水环境背景值（1.0-2.5×10-3 μg/g）相比有几何级数的增加（Cao等人，2022年）。除了环境介质外，纳米塑料还可能从接触食品的材料中吸附金属添加剂，改变饮食中的金属暴露模式并增加胃肠道的累积风险（Zhang等人，2023年）。因此，这种纳米塑料-金属复合体所造成的环境危害可能与其单独成分不同且更为严重。当前的研究强调了PS-NPs和镉之间的复杂毒理学相互作用：协同效应会加剧Ceratophyllum demersum的生长抑制和草鱼（Ctenopharyngodon idella）的氧化应激（Chen等人，2022年），而吸附介导的镉隔离则减少了小麦幼苗中的积累，从而减轻了毒性（Zong等人，2021年）。相反，某些生物（如海马）对此几乎没有反应（Jinhui等人，2019年）。这些相互矛盾的发现突显了纳米塑料-金属复合污染在机制知识上的空白，特别是关于它们的共暴露是否作为具有独特生物学影响的单一环境压力源的假设，需要系统性的研究来澄清这些依赖上下文的结果。
肠道作为人体最大的黏膜免疫器官，是外部环境和内部系统之间的重要接口，其功能不仅限于消化和营养吸收，还包括免疫防御、内分泌调节和稳态维持（Di Sabatino等人，2023年）。作为抵御外源性毒素的主要屏障，其结构完整性和生理功能极易受到环境污染物的干扰。因此，通过饮食和水暴露途径，肠道成为纳米塑料和重金属污染物单独或联合暴露的主要目标（Hirt和Body-Malapel，2020年；Chartres等人，2024年）。虽然单个PS-NPs或Cd引起的肠道损伤的分子机制已被广泛研究，但对其作为复合污染物时的联合效应的理解仍然有限，特别是在潜在的分子途径及其相互作用是否引发新的或加剧的毒性机制方面。
大量研究表明，Ca2?作为关键的细胞内第二信使，在多种细胞过程中起着基础性作用，包括应激反应、增殖和凋亡（Qi等人，2020年；Moon，2023年）。大量证据表明，镉会破坏内质网（ER）中的Ca2?平衡，导致胞质Ca2?浓度异常升高，进而引发线粒体功能障碍和凋亡（Mishra等人，2024年）。同样，某些纳米塑料也被报道会扰乱细胞内Ca2?平衡，从而介导细胞毒性和诱导凋亡途径（Kantha等人，2022年；Tang等人，2022年；Chen等人，2025年）。这种破坏Ca2?信号的共性为纳米塑料和镉之间的潜在协同作用提供了合理的机制基础。虽然多种途径调节凋亡，但肌醇1,4,5-三磷酸受体（IP3R）作为内质网膜上的主要Ca2?释放通道，在维持胞质Ca2?平衡和内质网应激中起着核心作用。其失调激活已被证实与污染物诱导的凋亡有关（Kania等人，2017年）。同时，信号转导子和转录激活因子3（STAT3）在胞质Ca2?浓度异常升高时会发生磷酸化激活（Zhang等人，2020年），随后调节凋亡相关基因的表达并导致肠道细胞损伤。然而，IP3R/STAT3通路在介导纳米塑料-Cd共暴露引起的肠道反应中的作用尚未完全探索。
本研究结合了体外细胞模型和秀丽隐杆线虫（C. elegans）系统，探讨了PS-NPs和Cd共暴露的联合效应，特别关注IP3R介导的Ca2?释放和STAT3磷酸化在驱动肠道凋亡中的作用。我们假设这种联合毒性不仅源于简单的加性作用，还源于PS-NPs和镉之间的物理化学相互作用，这在环境条件下可能表现为单一的多分散剂。本工作旨在证实联合污染物的危害，并填补纳米颗粒-重金属共暴露机制的关键知识空白，从而为联合污染物毒理学提供支持，并为基于证据的环境风险评估提供依据。
材料表征
材料表征
20 nm的PS-NPs和氯化镉（CdCl?）分别从南京Genoss Biotechnology Co., Ltd.和上海Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd.获得。PS-NPs和Cd的检测溶液（200 μg/mL）分别在DMEM、超纯水、K-medium以及添加了10%胎牛血清的完全培养基中制备。通过透射电子显微镜（TEM，JEOL，日本）分析了PS-NPs在单独和与Cd共暴露条件下的形态，同时测量了它们的流体动力学直径
材料表征结果
如图1A所示，PS-NPs呈现出球形形态，边缘平滑，粒径分布均匀，平均直径为21.04±1.26 nm（图1B）。为了进一步评估PS-NPs与Cd共培养后的形态变化，对PS-NPs/Cd混合物进行了TEM分析。结果显示，Cd暴露后PS-NPs的表面变得粗糙，聚集程度增加（图1C），平均粒径也随之增大
讨论
虽然PS-NPs和Cd的单独肠道毒性已有文献记载（Zhang等人，2022年；Yan等人，2023年），但鉴于它们在环境中的共存情况，其联合效应的分子机制仍不明确。为填补这一知识空白并增强我们发现的生理相关性，我们采用了结合秀丽隐杆线虫和人类Caco-2肠道细胞的双模型策略。
结论
实验数据表明，镉通过改变物理化学性质（尤其是粒径分布和表面电荷）增强了PS-NPs的聚集，从而放大了它们的联合毒性。在秀丽隐杆线虫中，单独的PS-NPs会导致剂量依赖性的生长抑制，而Cd的共暴露则加剧了发育迟缓、肠道紊乱、上皮屏障功能障碍和关键功能基因的失调。Caco-2细胞的平行研究显示，PS-NPs进一步增强了
资助
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号82273674）、东南大学博士生创新能力提升计划（项目编号CXJH_SEU 24217）以及江苏省研究生研究与实践创新计划（项目编号KYCX24_0493和KYCX21_0165）的支持。
作者贡献声明
刘晨宇：撰写 – 审稿与编辑。吴天舒：撰写 – 审稿与编辑。崔梦静：撰写 – 审稿与编辑。薛玉英：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。杨海涛：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写。吴丽青：撰写 – 审稿与编辑。牛书彦：撰写 – 审稿与编辑。郭梦豪：撰写 – 审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
