《The Journal of Physiology》：Human placental exposure to pollutant nanoparticles: uptake, translocation and functional impact
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纳米颗粒（Nanoparticles, NPs）因工程颗粒及污染物的指数级增长而在自然环境中广泛存在。由于其微小尺寸，纳米颗粒能够穿过黏膜屏障，进入血液循环并到达多种不同的组织类型。孕妇及其发育中的胎儿对纳米颗粒尤为易感，胎盘作为胎儿暴露的关键屏障。目前尚未明
纳米颗粒（Nanoparticles, NPs）因工程颗粒及污染物的指数级增长而在自然环境中广泛存在。由于其微小尺寸，纳米颗粒能够穿过黏膜屏障，进入血液循环并到达多种不同的组织类型。孕妇及其发育中的胎儿对纳米颗粒尤为易感，胎盘作为胎儿暴露的关键屏障。目前尚未明确胎盘屏障对纳米颗粒转运的保护程度，关于纳米颗粒摄取机制及影响其转运的物理化学因素存在相互矛盾的证据。本文综述了当前关于纳米颗粒穿越胎盘转运及其对胎盘发育和功能影响的研究发现。这些见解共同强调了该领域未来研究的关键考量。
引言
纳米颗粒（NPs）粒径介于1至100 nm之间，因其能够跨越生理屏障并诱导毒性效应而对公共卫生构成重大威胁。污染物NPs在化学上分为有机或无机，源于自然或人为源，其独特风险在于可通过吸入和摄食途径直接从环境进入体循环。吸入被视为最有害的暴露途径，城市环境空气中浓度可达每立方厘米100,000个NPs。NPs通过引起细胞损伤、触发炎症和氧化应激反应影响生物系统，这通常归因于其表面存在有毒的共排放化合物。妊娠被认为是暴露于NPs的关键窗口期，因为为支持胎儿发育而发生的生理变化（如潮气量和血浆容量增加）会增加母体对NPs的易感性。NPs诱导的胎盘功能紊乱可导致妊娠并发症，而其穿越胎盘屏障的转运则可能影响胎儿发育。大量流行病学数据表明，污染物NPs（包括颗粒物PM和纳米塑料）与不良妊娠结局（如早产、低出生体重和先兆子痫）显著相关。此外，根据健康与疾病的发育起源（Developmental Origins of Health and Disease, DOHaD）假说，产前污染物NPs暴露可产生终身影响并对成人健康产生不利影响；产前暴露于含有黑碳（Black Carbon, BC）NPs的空气PM与不良心血管、神经发育和呼吸系统改变有关。尽管在胎盘组织中已检测到污染物NPs，但NPs向胎儿循环的转运程度尚不完全清楚。为充分理解胎盘屏障的保护能力，必须开展研究以阐明污染物NPs的摄取、转运及其对胎盘的功能影响。
污染物纳米颗粒
空气动力学直径≤10 μm的颗粒物（Particulate Matter, PM）是最常见的空气污染物之一，对人类健康风险最大。超细颗粒物（Ultrafine PM, UFP; <1 μm）可到达肺泡并跨上皮屏障进入体循环。黑碳（BC）NPs（1–100 nm）是不完全有机燃烧产生的UFP关键组分，具有碳核且其表面吸附共排放的有毒蒸气、多环芳烃、生物过敏原及重金属（如镉、钴、铅）。全球塑料使用量激增，初级（工程）纳米塑料常添加于个人消费品，次级纳米塑料则由塑料机械和化学降解产生。其他工程NPs（包括金属、金属氧化物和二氧化硅颗粒）用于电子、药物输送等领域，若被吸入或摄入可造成毒性效应。NPs的粒径、表面组成、形状和电荷的差异导致其摄取潜力和毒性各异。较小的NPs更易深入呼吸道至肺泡，且具有更高的表面活性原子比，反应性和毒性更强。老化和环境风化会改变NPs表面化学性质。BC NPs表面携带的共排放有毒重金属和多环芳烃可促进炎症通路激活并引发活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）生成。NPs在生物环境中会形成蛋白冠（protein corona），其由紧密结合的“硬冠”和较松散的“软冠”组成，蛋白谱取决于NPs的表面组成、大小和电荷。这种多变的蛋白冠介导了不同的细胞相互作用，影响细胞摄取和毒性。NPs可能被肺泡巨噬细胞吞噬引发促炎反应，或通过内吞途径跨肺泡上皮屏障进入体循环，进而被肝脏清除或在肺外组织蓄积，导致广泛的生物学效应。
人类胎盘屏障
人类胎盘是妊娠早期发育的瞬时器官，形成盘状结构附着于子宫底蜕膜。在此结构中，含有胎儿血管的指状绒毛突入母血间隙，介导母胎系统间的交换。滋养层细胞构成绒毛结构，内层为增殖性细胞滋养层（cytotrophoblast），融合形成外层多核合胞体滋养层（syncytiotrophoblast），后者直接接触绒毛间隙的母血，因此可直接接触母循环中的NPs。妊娠后期，合胞体滋养层变薄，细胞滋养层退化，将屏障厚度减少至约4 μm，这虽有利于营养运输，但也可能促进妊娠晚期NPs的转运。胎盘通过被动扩散、纳米孔和主动运输实现营养物质、气体和废物的交换。内吞作用是负责大分子（如蛋白质和脂质）跨胎盘运输的关键主动机制，包括网格蛋白（clathrin）和小窝蛋白（caveolae）介导的内吞作用，依赖于动力蛋白（dynamin GTPase）从质膜掐断囊泡。巨胞饮（macropinocytosis）是一种不依赖动力蛋白的摄取机制，由肌动蛋白驱动突起包裹大量细胞外液形成囊泡。内吞或巨胞饮过程形成的囊泡随后被分选并沿不同路径运输：回收至质膜、跨细胞运输并输出（转胞吞，transcytosis）或在溶酶体中降解。近年来，已在人胎盘组织中观察到污染物NPs的摄取和运输，BC NPs和塑料NPs均被检出。NPs可转移至滋养层细胞层，且在脐带血和胎儿组织样本中检测到BC NPs，证明NPs可跨胎盘进入胎儿循环。
胎盘对纳米颗粒的摄取
大多数体外研究使用永生化的滋养层细胞系（如绒毛膜癌BeWo细胞系）探究NPs的胎盘摄取。荧光标记的聚苯乙烯NPs被用于模拟纳米塑料污染物，其被BeWo滋养层细胞的摄取具有尺寸依赖性，表面组成也被认为影响摄取。较小（1 μm）的风化聚苯乙烯颗粒比较大型（10 μm）原始颗粒有更高的摄取率。此外，4 nm金NPs的摄取也显示出对表面特性的依赖性，羧基化NPs的摄取高于聚乙二醇修饰。然而，钛 dioxide NPs上的额外羧基和胺基表面基团并未改变滋养层摄取，这表明表面修饰的影响具有颗粒特异性。NPs的电荷和表面修饰可改变颗粒相互作用和水动力学，蛋白冠的形成会导致NPs聚集。关于蛋白冠是否增强胎盘NPs摄取存在争议，有研究表明人血浆孵育对BeWo模型中50 nm聚苯乙烯NPs的运输无影响，而另一些研究显示其显著改善了离体胎盘灌注模型中80 nm聚苯乙烯NPs的摄取和转移。胎盘聚苯乙烯NPs的摄取已被证明是一个能量依赖的过程。蛋白质转运体介导的NPs转运尚未得到证实，抑制候选胎盘转运体并未减少BeWo Transwell系统中50 nm聚苯乙烯NPs的运输。相反，内吞作用被广泛牵连，硅石和多糖衍生的NPs在滋养层细胞模型中显示出内吞摄取。此外，给予50 nm金NPs后，小鼠合胞体滋养层中网格蛋白和小窝蛋白的表达上调。金和聚苯乙烯NPs上的蛋白冠可直接影响运输机制，促进网格蛋白介导的内吞。通过肌动蛋白解聚抑制JEG3滋养层细胞系的巨胞饮作用，使10 nm二氧化硅NPs的摄取减少了三分之一。内吞或巨胞饮摄取的证据还来自在不同模型系统中观察到的NPs存在于细胞内囊泡中。在BeWo细胞系中，金NPs被发现于细胞内囊泡；在JEG3细胞系中，10 nm二氧化硅NPs被转运至溶酶体并改变了细胞器的酸度；聚苯乙烯NPs也在转化的绒毛滋养层系中通过内体转运至溶酶体。NPs在溶酶体中的积累及相关功能障碍已在肺上皮细胞中观察到，溶酶体积累NPs通过增加膜通透性、改变酸度和影响必需离子通道蛋白直接破坏其功能。
胎盘对纳米颗粒的转运
在终止妊娠的第一和第二 trimester 胎儿组织以及足月妊娠的脐血中检测到BC NPs，表明NPs具有跨越合胞体滋养层-胎儿内皮胎盘屏障的能力。体外模型也被用于研究NPs的运输及颗粒特性对跨滋养层层转运的影响。与滋养层摄取相似，NPs在BeWo Transwell系统中的跨膜运输具有尺寸依赖性，较小的50 nm聚苯乙烯NPs比较大的100 nm颗粒更容易被转运。然而，由于不同的表面修饰和颗粒电荷可能改变蛋白冠动力学、NPs聚集及细胞运输，50 nm聚苯乙烯和8 nm二氧化钛NPs的顶侧至基底外侧运输在某些研究中似乎受限。离体足月胎盘灌注和体内动物模型进一步研究了NPs的转运能力。聚苯乙烯纳米颗粒（50–300 nm）可在离体条件下跨胎盘屏障转运，源自人血浆的蛋白冠的加入促进了更大的NPs转移。在这些模型中，50 nm聚苯乙烯NPs积聚在合胞体滋养层。30 nm金NPs和8 nm二氧化钛NPs也积聚在合胞体滋养层中，但与聚苯乙烯NPs相比，它们向胎盘循环的转移受到相当大限制。相比之下，较小的3–4 nm金NPs可轻易地在离体条件下跨胎盘屏障转运至胎盘循环。柴油废气NPs（主要由BC组成）的离体转运有限，但NPs显示在胎盘屏障细胞（合胞体滋养层、巨噬细胞和内皮细胞）中显著积累。这表明BC NPs的转运可能受限于胎盘屏障的这些层次。尽管胎盘结构和功能存在差异，动物模型为NPs的体内胎盘转运提供了宝贵的见解。此类研究进一步证明颗粒大小和组成强烈影响转运。反映体外研究结果，NPs的大小强烈影响啮齿动物模型中聚苯乙烯、金和氧化锌颗粒的转运；较小的NPs（1.4–40 nm）容易跨越胎盘屏障到达胎儿，而较大的颗粒（18–100 nm）显示出显著降低的转运，80 nm金NPs的转运率比1.4 nm金NPs低两个数量级。Yang等人还表明，暴露的妊娠窗口很重要，从胚胎第11.5天起，13 nm金NPs向胎儿的胎盘转运微乎其微，而早期妊娠的胎儿NPs水平相对较高。相比之下，其他金属氧化物NPs尽管在早期妊娠母体暴露，但未显示出转运，铜、镉和二氧化钛NPs在小鼠幼崽中检测不到。在大鼠中，21 nm二氧化钛NPs积聚在蜕膜和胎盘中，NPs聚集体积聚在啮齿动物胎盘交换区（迷路）合胞体的细胞内囊泡中。柴油废气NPs也被观察到积聚在暴露兔子的胎盘组织中。怀孕大鼠口服<20 nm银NPs后，约有0.3%的给药剂量在24小时后到达胎儿，尽管水平在胎盘和胎儿组织中实际上在1小时后达到峰值，表明快速的经胎盘转移随后随时间下降。暴露于20 nm聚苯乙烯NPs的大鼠也显示出显著的胎盘转运，24小时后在胎儿肝脏和心脏中检测到颗粒。相反，暴露于另一种纳米塑料（聚甲基丙烯酸缩水甘油酯）的大鼠未显示胎儿NPs负荷。总之，这些发现巩固了来自人体组织、离体和体外研究的结果，表明胎盘屏障通过积累NPs（特别是在合胞体滋养层溶酶体中）提供针对转运的保护。然而，在某些情况下，BC、塑料和金属氧化物NPs也可以跨胎盘屏障转运到达胎儿组织。
纳米颗粒诱导的胎盘功能障碍
胎儿的发育和生长依赖于最佳的胎盘功能，特别是屏障、交换和内分泌活动。NPs暴露对胎盘功能的影响尚未明确，但已提出了几种不同的机制。暴露于NPs可导致心肺、内分泌和免疫系统的全身生理变化，从而在妊娠期间损害胎盘功能。用20 nm聚苯乙烯和21 nm二氧化钛NPs处理的怀孕大鼠观察到母体血管功能障碍，报告了增加的母体心脏重量、升高的血管张力和血管平滑肌过度活跃。长期暴露进一步降低了胎儿体重，表明NPs可能通过损害母体心血管功能间接导致不良妊娠事件。Hathaway等人测量了用类似的21 nm二氧化钛NPs处理后怀孕大鼠分离出的母体心肌细胞的收缩力降低30%，也测量到室间隔厚度减少，说明了进一步的NPs诱导的心血管功能障碍。NPs暴露还会影响循环母体激素水平，在用188 nm氧化钛NPs处理的大鼠和用15 nm镉NPs处理的小鼠中测量到血清雌激素减少；尽管孕酮、睾酮、催乳素和皮质醇水平保持不变，但NPs诱导的内分泌干扰可能导致不良后果，两项研究均测量到胎盘重量增加。在啮齿动物模型中，吸入的碳和氧化镉NPs的最高水平在母体肺部检测到，占总NPs组织分布的90%。其他金属氧化物NPs包括铈和二氧化钛NPs在母体小鼠肺部引起病理性炎症，而二氧化钛和碳NPs已被证明可激活肺泡巨噬细胞产生促炎细胞因子，如IL-4和IL-6，导致全身应激，这可能间接影响胎盘功能。NPs诱导的全身母体炎症可能间接影响胎盘功能，但当NPs跨肺上皮屏障转运时，它们可以直接诱导滋养层细胞的促炎和氧化应激反应。体外聚苯乙烯和镍NPs暴露增加了滋养层炎症基因（包括CXCL6和CCL2）的表达，并刺激了ROS的产生。一项流行病学研究中，整个妊娠期BC NPs暴露与胎盘中3-硝基酪氨酸（氧化和亚硝化应激的关键生物标志物）水平呈正相关。胎盘是一个高度活跃的代谢和内分泌器官，通过产生激素和调节母体代谢来支持妊娠。然而，<500 nm二氧化铈NPs已被证明会引起内分泌干扰，高剂量暴露后体外胎盘激素人绒毛膜促性腺激素（hCG）和人胎盘泌乳素（hPL）的分泌显著减少。在体内暴露于30 nm碳NPs和体外滋养层暴露于碳NPs导致线粒体功能障碍，而小鼠暴露于100 nm聚苯乙烯NPs后的胎盘代谢组学分析揭示了胆固醇和苯丙氨酸代谢的改变，影响了胎盘营养平衡并导致生长受限的幼崽。此外，血管生成和血管化对胎盘发育至关重要，但暴露于15 nm钛和70 nm二氧化硅NPs减少了离体人胎盘模型中关键调节血管生成生长因子（包括成纤维细胞生长因子1和血管内皮生长因子C）的分泌。NPs还被证明可调节关键的细胞过程，包括凋亡、自噬和分化，这些过程对维持滋养层功能至关重要。在滋养层细胞系中，100 nm镍NPs暴露增加了关键凋亡介质caspase-3和-9的表达，而100 nm聚苯乙烯NPs增加了BAX/BCL比率，表明NPs通过刺激细胞凋亡减少滋养层活力。在内吞摄取后，据推测NPs被转运至溶酶体并在其中积累，通过改变溶酶体酸度和通透性破坏降解功能。自噬依赖于溶酶体分解蛋白质聚集体、受损细胞器和细菌。在小鼠中，暴露于30–120 nm碳NPs破坏了自噬-溶酶体功能并损害了受损线粒体的清除，而在体外用5–38 nm磷NPs处理永生化绒毛外滋养层诱导了过量的ROS产生，导致线粒体损伤并激活了线粒体自噬通路。过度的自噬激活也在用3–5 nm二氧化铈NPs处理的滋养层细胞模型和暴露于21 nm二氧化钛NPs的大鼠中观察到，在这两种系统中，这种失调的自噬活性降低了滋养层迁移和侵袭，在体内导致了类似先兆子痫的表型。人类胎盘发育依赖于绒毛外滋养层侵袭和细胞滋养层融合以产生功能性合胞体滋养层。用于模拟滋养层合胞化的BeWo细胞用银NPs处理，显示细胞融合受损和hCG分泌显著减少。聚苯乙烯和二氧化铈NPs也在体外阻碍了滋养层融合，并在体内减少了合胞化标志物的表达。NPs对滋养层细胞生物学的这些无数影响与胎盘功能受损密切相关，突出了这一途径在妊娠期NPs暴露发病机制中的重要性。
未来研究的考量
在人胎盘组织中检测NPs存在困难，原因是异质性颗粒浓度低，难以在复杂的生物背景下识别。因此，目前的研究依赖于专业设备，如飞秒脉冲激光显微镜和拉曼显微光谱；然而，使用这些技术量化NPs水平可能因光学检测限而不准确地估计颗粒数量。此外，研究必须确保收集组织样本时避免潜在的环境NPs污染，临床或实验室环境中的大气BC或塑料材料可能会给样本引入外部NPs污染。未来的研究应设计为确保在洁净室中用无NPs仪器处理样本，并使用适当的对照进行分析。如前所述，NPs的多种特性（包括表面组成、大小、电荷和蛋白冠）都会影响其与细胞的相互作用。因此，必须使用能准确再现环境NPs的适当NPs模型。源自血浆的蛋白冠直接增加胎盘摄取和转运，同时影响NPs的运输机制，因此在未来的胎盘NPs暴露模型中，预先包被颗粒以建立蛋白壳至关重要。同样，聚苯乙烯NPs的风化会影响其摄取，因此使用原始NPs进行实验可能会限制结果的相关性。此外，纳米塑料是异质性的，包括多种不同的聚合物，尽管大多数关于NPs摄取的研究都是使用市售的聚苯乙烯NPs进行的，但其表面组成与环境纳米塑料不同。NPs摄取也具有浓度依赖性；因此，在调查摄取和运输的实验中，使用适当的剂量很重要。在一项小型研究中，气相色谱-质谱法量化了人全血中平均浓度为1.6 μg/ml的纳米塑料，而一些摄取实验使用的NPs浓度≥10 μg/ml，这可能无法反映细胞对较低、更具生理相关剂量的反应。大多数调查滋养层NPs摄取的体外研究使用了永生化细胞系，主要是绒毛膜癌BeWo细胞。癌细胞通常表现出内吞摄取和 trafficking 通路的失调，这可能会影响NPs的摄取、转运和发病机理。其他研究依赖于从足月胎盘分离的原代滋养层细胞；然而，BeWo和原代滋养层细胞都难以形成汇合的屏障，使其不适合Transwell NPs转移研究。相反，滋养层干细胞和3D类器官培养的发展提供了一个更具生理相关性的系统，更好地反映了滋养层功能并更准确地再现了多细胞胎盘微环境。此外，简单的2D细胞培养实验没有考虑流体流动的影响，或内皮细胞可能对NPs摄取和运输的保护作用；或者，未来的体外研究可能受益于使用胎盘微流控装置，该装置在芯片上的腔室中共培养合胞体滋养层和胎儿内皮细胞，在流体流动下更好地再现胎盘屏障。
结论
胎盘是作为母体和胎儿循环之间界面的关键器官。污染物NPs如BC和纳米塑料容易被胎盘摄取并可转运至胎儿循环。然而，胎盘可能作为某些NPs的保护性屏障，研究表明由于合胞体滋养层的积累，NPs的转运受到限制。合胞体滋养层对NPs的摄取主要是内吞性的，颗粒被保留在细胞内囊泡中，在那里它们可以被跨细胞运输以进行输出或被转运至溶酶体，在那里它们积累并影响包括自噬在内的重降解功能。胎盘NPs摄取和运输的程度取决于颗粒大小、组成和蛋白冠的存在，在设计实验时应予以考虑。此外，应使用稳健的胎盘模型来准确再现NPs的摄取和运输。
