《Chemico-Biological Interactions》：Evaluation of intestinal toxicity of polystyrene micro/nanoplastics using intestinal organoids
编辑推荐：
肠道上皮细胞自更新能力受损及纳米塑料毒性机制研究。
作者：薛志超、程胜南、刘晓云、张毅、黄颖、杜桑、陈欣、张志军、杨晓东、徐敏敏、黄杰
苏州大学化学、化学工程与材料科学学院，中国苏州215123
摘要
聚苯乙烯微/纳米塑料（PS-MNPs）对人类健康构成了日益严重的威胁，其中经口摄入是主要的暴露途径。尽管已经对它们在动物胃肠道中的分布和不良影响进行了广泛研究，但它们对人类肠道的具体影响，尤其是对上皮细胞成熟的影响，仍知之甚少。本研究利用人类肠道类器官（HIOs）来阐明PS-MNPs的毒性机制。结果表明，PS-MNPs在HIOs中积累，不仅导致线粒体膜电位降低、活性氧水平升高和DNA完整性受损，还通过下调细胞周期和DNA复制的关键调控因子，干扰肠道上皮细胞的增殖和分化。最终，这些综合效应损害了上皮细胞的自我更新、成熟和功能。值得注意的是，PS-MNPs表现出尺寸依赖性的毒性，纳米级颗粒的内化程度和毒性均高于微米级颗粒。总体而言，我们的研究揭示了MNP引起肠道毒性的机制基础，并为它们对人类肠道屏障功能障碍和慢性肠道疾病的潜在影响提供了新的见解。
引言
随着工业技术的快速发展，塑料产品已成为全球日常生活中不可或缺的一部分。预计到2060年，全球塑料产量将超过12亿吨，远超其他任何合成材料[1]。然而，由于塑料回收率低且难以降解，塑料废弃物在环境中持续累积。随着时间的推移，这些材料会分解成微塑料（MPs；直径<5 μm）和纳米塑料（nPs；<1 μm）。由于体积小且分布广泛，微塑料和纳米塑料已在多种环境介质中被检测到，包括海洋生态系统[2]和陆地土壤、食物链等，为人类提供了多种暴露途径[3]。越来越多的证据表明，微塑料和纳米塑料可以通过摄入或吸入进入人体，然后转移到各种器官，引发一系列毒性效应，如心脏毒性[4]、肝脏毒性[5]、肾脏毒性[6]、生殖毒性等。尽管许多研究已经证实了它们对成人的不良影响，但它们对器官的具体作用机制仍大部分未得到探索，而这对于阐明其健康威胁至关重要。肠道是主要的消化器官，具有抵御外来物质的关键黏膜屏障功能[7]。作为与微塑料和纳米塑料接触的主要部位，肠道在评估其生理功能影响方面起着关键作用。张等人使用Caco-2细胞证明，这些颗粒可以通过吞噬作用或clathrin-caveolae介导的内吞作用被体内化[8]。体内研究表明，长期暴露于微塑料和纳米塑料会导致斑马鱼肠道损伤，表现为黏膜损伤、通透性增加、炎症反应和代谢紊乱[9]。此外，微塑料和纳米塑料暴露还与肠道菌群失调和特定细菌种群的变化有关[10]。例如，赵等人发现微塑料和纳米塑料暴露会扰乱大鼠肠道的微生物组和血清代谢[11]。尽管对这些微塑料和纳米塑料的肠道毒性有了深入了解，但传统的二维细胞培养系统和动物模型无法充分反映人类肠道的复杂结构和功能，尤其是在研究它们在人体肠道组织中的毒性机制时[12]。
人类肠道类器官（HIOs）由成体干细胞或多能干细胞衍生而来，已成为研究肠道发育和疾病发病机制的强大模型[13]。这些三维（3D）自组织的上皮结构包含多种细胞类型，如肠道干细胞、潘氏细胞、杯状细胞和肠内分泌细胞，能够真实再现肠道上皮的关键细胞组成。重要的是，HIOs还能形成类似人类肠道的隐窝-绒毛结构，并再现上皮细胞的动态增殖和分化过程，从而保留了重要的组织特异性功能[14]。高桥等人证明，HIOs（而非Caco-2细胞）表现出所有关键的人类肠道代谢特征，包括通过孕烷X受体（Pregnane X receptor）配体诱导的细胞色素P450 3A4（CYP3A4）活性[15]、通过钠/葡萄糖共转运蛋白介导的葡萄糖摄取[15]以及依赖微粒体甘油三酯转移蛋白的ApoB-48分泌[15]。这些发现凸显了HIOs在评估与人类相关的毒性机制方面的优势。
聚苯乙烯（PS）是最广泛生产的塑料之一，在环境和各种消费品中普遍存在[16]。因此，在人体中也检测到了PS-MNPs，引发了对其潜在健康危害的担忧[17]。由于其高单体分散性和能够精确控制关键物理性质，球形PS-MNPs被广泛用作研究微塑料诱导的器官毒性的模型颗粒[18][19]。在本研究中，我们旨在探讨球形PS-MNPs对肠道健康的影响，特别关注尺寸依赖性的毒性，比较了100 nm和1 μm大小的颗粒。
具体而言，我们评估了细胞摄取、氧化应激、DNA损伤、细胞增殖和分化情况，以揭示上皮细胞的反应以及与PS-MNP暴露相关的潜在肠道毒性。此外，还进行了转录组分析，以揭示PS-MNP诱导毒性的分子机制。这些发现为PS-MNPs对人类肠道的潜在影响提供了新的见解。
PS-MNPs及其特性
PS-MNPs及其特性
未标记和荧光异硫氰酸酯标记的两种不同大小的PS-MNPs购自山西兴北艾克生物技术有限公司（中国山西）。本研究中使用的PS-MNPs包括100 nm颗粒（X-AK-S100，简称PS-100 nm）和1 μm颗粒（X-AK-S1μ，简称PS-1 μm）。使用扫描电子显微镜（SEM，SU8600，日本）观察了PS-MNPs的表面形态，并测定了它们的ζ电位和平均水动力直径。
PS-MNPs的表征
扫描电子显微镜（SEM，图1A）显示，PS-MNPs具有光滑的表面、规则的形状和均匀的粒径。动态光散射（DLS）分析（图1B）表明，两种PS-MNPs的平均直径分别为106.46 ± 16.58 nm（PS-100 nm）和1.11 ± 0.16 μm（PS-1 μm）。PS-100 nm和PS-1 μm的ζ电值分别为-39.53 ± 0.57 mV和-34.23 ± 0.38 mV。
结论
PS-MNPs是常见的环境污染物，具有潜在的健康危害。在本研究中，利用生理相关的HIOs模型，我们的研究发现PS-MNPs能够轻易穿透肠道上皮，引发一系列细胞损伤，包括线粒体功能障碍、氧化应激、DNA损伤和细胞死亡。这些紊乱共同破坏了肠道上皮的自我更新能力，损害了屏障完整性，最终影响了肠道的正常功能。
作者贡献声明
张毅：可视化、验证、概念化。
黄颖：可视化、数据整理。
杜桑：可视化、方法学、概念化。
黄杰：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、方法学、资金申请、概念化。
薛志超：撰写——初稿撰写、可视化、验证、方法学、实验设计、数据整理。
程胜南：数据验证、实验设计、数据分析、概念化。
利益冲突声明
作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：32171367、32401142）、江苏省基础研究项目（项目编号：BK20232046）、苏州市重点实验室建设（项目编号：SZS2023006）以及中国博士后科学基金会博士后奖学金计划（项目编号：GZB20240805、2025T180783）的支持。
