综述：微米和纳米塑料：对健康与疾病发育起源的新兴环境威胁

《Reproductive Toxicology》：Micro- and Nanoplastics: Emerging Environmental Threats to the Developmental Origins of Health and Disease

本综述系统阐述了微米和纳米塑料（MNPs）作为新兴环境污染物，通过表观遗传机制影响代谢和生殖健康，并遵循健康与疾病发育起源（DOHaD）范式对当代及后代构成潜在威胁。文章深入探讨了MNPs的暴露途径、组织累积及其在肠道、肝脏、脂肪等代谢组织以及男女生殖系统中的毒性效应，揭示了其诱导氧化应激、炎症反应及表观遗传修饰（如DNA甲基化、组蛋白修饰）改变的可能机制，为理解MNPs的跨代健康影响提供了重要视角。

　　

Abstract

环境暴露于微米和纳米塑料（MNPs）可能对儿童和成人慢性健康状况的发展产生重大影响。MNPs是塑料日常普遍使用的降解副产物。越来越多的文献指出MNPs影响人类代谢和生殖健康，但其潜在影响的研究仍处于起步阶段。由于近期证据表明MNPs在人类代谢和生殖组织中积累，推测其可能诱导生理和表观遗传失调。这对后代尤为关键，因为个体的表观遗传干扰可以遗传。目前，MNPs发挥作用的具体机制仍在研究中。在此背景下，健康与疾病发育起源（DOHaD）理论为理解围产期、胎儿期和生命早期环境暴露对生命后期非传染性疾病发展的影响提供了见解。DOHaD通过表观遗传学的视角研究这些相互作用，因为表观遗传学在DNA序列之外架起了环境暴露与基因表达变化的桥梁。本综述概述了当前研究，阐述了MNPs对代谢和生殖功能障碍发展的贡献，及其通过可能由表观遗传修饰介导的DOHaD范式影响后代的潜力。

1. 引言

过去几十年，塑料使用量呈指数级增长。2022年，全球塑料产量估计达4亿吨。全球范围内塑料的广泛使用通过降解产生了前所未有的副产物，即微米和纳米塑料（MNPs）。这些塑料颗粒按尺寸分为微塑料（MPs，1 μm至5 mm）和纳米塑料（NPs，1 nm至1 μm或1000 nm），最初是在海洋生物渗透中被发现的。MNPs已日益普遍地存在于现代人类环境中，在多种食品、饮料、个人护理产品、水源乃至空气中均有检测。值得注意的是，MNPs被证明可以穿透并累积在人体组织中，甚至能跨越血脑屏障。据报道，MNPs对人类健康的影响取决于暴露程度，且已有呼吁采取措施减轻MNPs危害。MNPs在代谢和生殖组织中的存在尤其值得关注，因为它暗示了对个体及其潜在后代的代谢和生殖健康的潜在干扰。父母环境暴露与后代生命后期非传染性疾病发展之间的联系，与健康与疾病发育起源（DOHaD）概念相吻合。DOHaD所考虑的后代暴露关键窗口期始于受孕前，贯穿整个生命早期并延续至成年期。过去几十年间，DOHaD研究范围转向表观遗传学视角，揭示了这些环境暴露如何影响个体及后续几代人的健康。

表观遗传学指的是不改变底层DNA序列而发生的基因表达变化。表观遗传修饰为基因表达增加了多层调控，可发生在转录、翻译、转录后和翻译后水平。修饰类型包括DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA。这些表观遗传修饰对环境因素（如环境污染物暴露）具有响应性，并且是可逆的，从而赋予基因组灵活性。此外，这些修饰可以代间和跨代遗传，为DOHaD范式奠定了基础。在此背景下，关于MNPs的表观遗传学研究有限且仍在探索中。然而，基于现有证据、MNPs的普遍性以及由此产生的人类持续暴露，MNPs存在诱导表观遗传失调的潜力。这些失调可能发生在代谢和生殖组织中，影响个体及其未来后代在生命后期发生代谢和生殖功能障碍的风险。本综述将重点探讨在DOHaD框架下，MNP暴露通过潜在的表观遗传机制以组织特异性方式对代谢和生殖功能障碍发展的影响。

2. MNP暴露、分类及在人体组织中的累积

环境中的塑料碎片可通过老化、热量、紫外线辐射、机械力和生物力降解成MNPs。由于其高废弃率、极低或不可生物降解性以及废物处理措施不足，暴露于MNPs几乎无法避免。为了解MNPs如何影响人类健康，以下部分将描述其尺寸和潜在组成成分。

2.1. 尺寸与组成

微塑料（MPs）定义为尺寸在1 μm至5 mm之间的塑料颗粒，而纳米塑料（NPs）通常尺寸在1 nm至1 μm（或1000 nm）之间。NPs的发现仅在过去十年内，因此其分类和尺寸区分仍存在争议。区分MPs和NPs很重要，因为它们的尺寸决定了其行为。例如，NPs被认为可能比MPs更具危害性，因为其小尺寸允许增强的传输特性、污染物相互作用和细胞相互作用。一个特别的担忧是MNPs与细胞膜的相互作用；它们影响膜电荷、稳定性及随后通透性的能力，为MNPs干扰细胞功能提供了一条途径。除了物理尺寸，其成分是MNPs影响人类健康的另一个需要考虑的方面。

MNPs通常由多种单体单元（如丙烯、苯乙烯等）组成，这些单体由化石燃料或可再生资源生产，并聚合成长的疏水链。传统塑料包括聚乙烯（PE）、高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。根据现有文献，PE尤其令人担忧，因为它是世界上产量最大的塑料。相应地，PE也是目前全球研究最多的塑料（图1）。这些基础聚合物可以加入添加剂（如增塑剂）以增加其柔韧性和耐久性。众所周知，相当一部分增塑剂是内分泌干扰物。值得注意的是，塑料中的这些内分泌干扰化学物（EDCs）已证明能够在代谢和生殖环境中诱导表观遗传失调。此外，MNPs还可能携带多种成分，如重金属、其他持久性有机污染物，甚至病原体。随着MNPs能够跨越生物屏障并含有有害成分，它们对代谢和生殖健康的影响潜力更大。

2.2. 暴露途径与人体组织穿透性

MNP暴露可通过摄入、吸入、注射和皮肤接触每日发生。最频繁的MNP暴露途径是经口摄入，这是由于塑料在食品包装中的普遍使用，以及它们在饮用水、农业土壤和食品本身中的无处不在。特别是，PE和PP在海产品、盐以及饮用水和瓶装水中被高度检测到；然而，作者指出需要更标准化的方法来检测各种食品和饮料产品中的MNPs。吸入暴露于MNPs可来源于织物、建筑、家用清洁剂、废物焚烧、工业排放等。在一项系统评价中，Eberhard等人记录到室内空气样本中MPs的发生率高于室外样本，且婴儿、学龄前儿童和孕妇等最脆弱人群的计算暴露剂量最高。MNPs的皮肤暴露通常通过个人护理产品发生，如化妆品和女性卫生用品。虽然存在皮肤病学担忧，但MNPs对女性生殖组织的直接和长期暴露带来了干扰女性生殖健康和生育能力的倾向。这些个人护理产品的使用可能从青春期开始，为此发育窗口期增加了潜在的干扰。一个不常被承认的新的MNP暴露途径是静脉输注。医疗领域主要使用的一次性塑料可以直接将MNPs送入循环系统并介导其在组织中的积累。然而，尽管接受输液或灌注护理的人群通常健康状况不佳，但针对此暴露途径的缓解研究却很少。一项可能的预防措施由Mou及其同事指出；通过冲洗要注射的前12cc液体，可以最大限度地降低暴露于MNPs的风险。对MNP暴露背景下的更多研究需求重大，因为一旦MNPs进入循环，它们可以到达通常不暴露的其他器官。

通过多种暴露途径，已确定MNPs可以进入人体；但能够积累MNPs的所有器官仍有待阐明。MNPs已在人体12个器官系统中的8个中被检测到，组织包括血液、肺、肝、肾、脾、血管和心脏。它们还在男性和女性生殖组织中发现，包括睾丸、子宫内膜、宫颈阴道灌洗液和卵巢卵泡液。最近证据还发现MNPs存在于大脑中。这进一步导致了痴呆症与MNP暴露之间可能存在相关性的推测，因为患有痴呆的死者大脑中MNPs的存在高于正常对照。MNP暴露也可能从子宫内环境和母乳开始，因为MNPs已在人母乳、婴儿粪便、羊水、脐带血和胎盘组织中被检测到。MNPs在人体样本中的存在和积累（表1）呈现了一个关键情景，即它们可以影响代谢和生殖健康。然而，要应对这种情况，仍需解决一些复杂问题，例如缺乏标准化的检测方法、标准化的测量单位以及严格的MNP尺寸分类。例如，拉曼光谱、傅里叶变换红外（FTIR）光谱和激光直接红外（LDIR）光谱方法检测NPs的能力有限，而热解气相色谱-质谱联用（Py-GC-MS）无法量化NPs的数量，也无法报告颗粒尺寸或形状。制定指导方针，规定如何测量不同生物和非生物样品中的MNPs，有助于更准确地量化其存在。此外，有了既定指南，可以增强对MNP在特定组织中的存在如何影响该相应组织功能的理解。

2.3. 对人类健康的潜在影响

鉴于MNPs在生命各个阶段的多个人体样本中积累，MNPs对人类健康的影响成为焦点。MNPs被提出可诱导氧化应激，从而引发炎症、免疫反应和细胞自噬。这进而可能对代谢和生殖健康产生深远影响。MNPs本身也可能影响表观遗传修饰，正如在海洋生物中进行的最初研究所显示的那样。此外，它们可能携带的异质成分（如EDCs）也可能诱导表观遗传失调。因此，暴露诱导的表观遗传失调，无论是MNPs单独作用还是与其EDCs联合作用，都可能影响不仅当代而且后代的健康结局。应注意，MNP在人类健康中的研究刚刚兴起，基于人类的证据稀缺。目前提供的大部分证据来源于动物或模型生物。虽然这可以为我们提供研究方向，但也凸显了需要更多的临床证据将这些发现转化为人类背景。为了更好地理解MNPs如何通过DOHaD框架发挥作用导致代谢和生殖功能障碍，我们将回顾当前关于MNP在代谢和生殖组织中作用机制的证据，按器官特异性方式进行。

3. MNP暴露对代谢组织的影响

MNPs被提出通常以组织特异性方式诱导生理变化，可导致非传染性疾病（包括代谢疾病）的发生并加剧预先存在的疾病。下面，我们将主要描述MNPs从独立器官失调到器官间相互作用轴的作用机制，提出可能的表观遗传改变，并最终描述MNP暴露如何影响个体及其潜在后代。

3.1. 肠道与肠道微生物组

肠道是吸收、代谢营养物质并通过循环系统将其输送到全身的关键器官。这些过程的主要促进者是栖息在肠道内的微生物群，即肠道微生物组。由于摄入是MNP暴露的主要途径，它们产生的影响可能部分始于肠道。例如，小鼠口服暴露于0.5-1.5 mg/kg/天的聚苯乙烯纳米塑料（PS-NP）4周和6周后，揭示了促炎细胞因子、肠道代谢物和紧密连接蛋白表达的改变，以及加速的化学诱导性结肠炎。提出PS-NPs增加干扰素γ（IFN-γ）、肿瘤坏死因子α（TNF-α）和白细胞介素6（IL-6），从而触发JAK-STAT、ERK1/2以及NF-κB信号通路。这种增加的促炎信号随后扰乱了肠道occludin、tricellulin和zonula occludens 1（ZO-1）的表达，损害了屏障完整性并增加了肠道通透性。MNPs诱导肠道通透性增加是许多研究的一致终点，但其发生机制仍在争论中。此外，这些研究中使用的高浓度MNPs也可能成为转化这些发现的障碍。需要使用更接近人类暴露水平的MNP浓度来辨别它们对肠道通透性的影响。

MNPs影响肠道通透性的一个疑似途径是通过其含有的化学物质。与未污染的MPs相比，被DEHP污染的MPs（DEHP-MPs）在小鼠肠道中积累更广泛，诱导生理变化和基因表达失调更显著。值得注意的是，使用了高浓度的DEHP（H-DEHP）污染MPs，且MP暴露基于瓶装饮用水中检测到的最高浓度。这项研究的一个优势在于他们通过检查所有三组（单独未污染MPs、单独H-DEHP和DEHP-MPs）来区分DEHP和MPs的效应。具体而言，DEHP-MPs在小肠中的积累更高，并伴有炎症细胞浸润，这与氧化反应、免疫反应、脂质代谢和代谢过程基因表达增加相关。虽然暴露于未污染MPs或单独H-DEHP也会引起一些类似效应，但暴露于组合的DEHP-MPs表现出最强的效应。研究还揭示，DEHP-MPs通过改变其微生物组成（即β多样性）而非物种含量（α多样性）来改变肠道微生物组。正如Deng等人证明MPs吸收DEHP的倾向增强，并在组合中诱导更显著的效果，这强调了需要更多研究MNPs与其可能的添加剂或污染物组合影响的重要性。DEHP是一种公认的致肥胖性和内分泌干扰性邻苯二甲酸酯，我们实验室已综述了邻苯二甲酸酯通过表观遗传潜力干扰代谢和生殖健康。尽管，这些发现提出了一个问题：是MNPs本身引起表观遗传变化，还是它们的污染物引起的？MNPs本身的表观遗传潜力被推测，因为最近一项研究揭示了PS-NPs如何调节肠道microRNAs（miRs，非编码表观遗传调节因子）的表达以及肠道微生物群产生的细胞外囊泡（EVs），从而影响杯状细胞和肠细胞功能，导致肠道完整性受损。口服暴露于2×10¹¹ particles/mL的100 nm PS-NPs，每周4次，持续12周的小鼠表现出mmu-miR-501-3p和mmu-miR-700-5p表达增加，这些miRs被鉴定为抑制肠道ZO-1和Mucin 13（MUC-13）。据我们所知，目前尚无关于人类NPs暴露水平的既定估计，但如果这些变化在较低剂量下保持一致，将值得关注。随后的肠道微生物组分析表明，毛螺菌科微生物显著摄取PS-NPs并释放EVs，这些EVs抑制杯状细胞中的MUC-13，可能通过调节宿主的肠道miR谱实现。有趣的是，来自PS-NP暴露杯状细胞的EVs增加了瘤胃球菌科的丰度；虽然未确定直接的下游靶点或效应，但这种肠道微生物组的转变为未来的研究提供了途径。微生物群及其代谢物改变miRs和其他表观遗传修饰的能力，是研究肠道菌群失调如何影响其他器官，从而可能促进代谢和生殖功能障碍的新兴话题。

3.2. 肝脏

MNPs对肝脏潜在影响的重要性正在形成，因为肝脏是解毒的主要场所。具体而言，一旦摄入，MNPs将通过门静脉系统从胃肠道汇集到肝脏进行代谢。有报道描述MNPs在肝脏中的积累；然而，它们对肝脏功能和生理的影响仍有待发现。一项及时的荟萃分析结合了多种动物模型，显示MP暴露与肝损伤标志物丙氨酸氨基转移酶（ALT）和天冬氨酸氨基转移酶（AST）升高、炎症标志物如TNF-α和IL-6升高，以及抗氧化标志物包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽（GSH）和谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）降低相关。总体表明，MPs诱导肝脏炎症，在慢性暴露下可能对肝脏产生毒性。由于肝脏是调节葡萄糖代谢、脂质代谢和蛋白质代谢的关键枢纽，其健康和功能对于避免代谢疾病的发展至关重要。

肝脏与肠道的相互作用提出了一个重要的轴，MNPs可能通过此轴诱导效应。为了研究肠道和肝脏之间的相互作用和串扰，Li等人设计了一种器官芯片灌注培养，称为消化系统（胃-肠-肝）微生理平台（DS-MPP）。该平台的创建是新颖的，但其可重复性可能存在障碍。该平台通过将50 nm和500 nm的PS-NPs分散在DMEM中模拟口服暴露，摄入量为72 μg/天。结果显示，虽然胃粘膜和肠道屏障遭受了一些损伤和毒性，但他们强调肝脏经历了最严重的影响，mTOR信号、胰岛素信号和脂质代谢受到干扰。此外，他们发现不同尺寸的PS-NPs沿着相似通路引发不同的效应。50 nm PS-NPs引起的改变导向肝细胞癌（HCC），而500 nm PS-NPs则促进非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）终点。虽然这些发现可能很重要，但应考虑这些数据是使用人类细胞系作为“器官”获得的，可能不能完全反映人类状况。另一项使用肺上皮细胞系（BEAS-2B细胞）和人肝细胞系（L02）的体外研究，将细胞暴露于80 nm PS-NPs，浓度为0.006-0.25 mg/mL，持续48小时，以评估PS-NPs的潜在线粒体效应。BEAS-2B细胞的活力影响很小；然而，L02细胞在0.006-0.0312 mg/mL浓度下活力呈上升趋势，在0.0625 mg/mL时趋势下降，并在0.125和0.25 mg/mL浓度下达到显著下降。必须注意，最低NP浓度组（0.006 mg/mL）是基于水生环境，所有下游分析均使用更高的NP浓度进行。在L02细胞中观察到相应的剂量依赖性线粒体活性氧（ROS）增加、线粒体膜电位（MMP）降低和线粒体呼吸能力降低。代谢组学分析证实，线粒体相关通路是失调最严重的，特别是三羧酸循环（TCA循环）和谷胱甘肽（GSH）代谢的代谢物，表明PS-NPs可以干扰肝细胞的线粒体功能。肝脏中的线粒体功能障碍在代谢疾病的发生和进展中起关键作用，因为它调节脂质代谢、抗氧化反应和细胞凋亡。一致地，通过饮用水暴露于80 nm、0.5 μm和5 μm尺寸的PS-MNPs 12周后，肝脏中与脂质代谢相关的基因表达被鉴定为发生改变。提供PS-MNPs的小鼠未显示肝脏ALT和AST的任何变化，然而，观察到其他变化，如纤维化、炎症和脂质沉积标志物升高。通过通路分析，报告了与脂质代谢和纤维化相关的基因，包括过氧化物酶体增殖物激活受体α和γ（PPAR-α, PPAR-γ）、酰基辅酶A氧化酶1（ACOX1），以及交互网络枢纽基因酰基辅酶A硫酯酶3（ACOT3）、ATP结合盒亚家族C成员3（ABCC3）和核受体亚家族1 I组成员3（NR1I3）在暴露于PS-MNPs的小鼠中上调。这项研究中同时使用PS-NPs和PS-MPs具有影响力，因为这导致了基于颗粒尺寸的不同效应水平的辨别。具体而言，80 nm PS-NPs处理引起更多脂质代谢改变，而0.5 μm PS-NPs和5 μm PS-MPs促进纤维化。未来的研究纳入多于一种尺寸的MNPs将有助于阐明更多其尺寸依赖性效应。在一项研究西方饮食（WD）和NP暴露组合效应的单独研究中，载脂蛋白E缺陷（ApoE^-/-）小鼠自由饮用含有0.5μm PS-NPs（10 mg/L）的水，导致每日消耗约40-70 μg的PS-NPs。发现所有组织，如肝脏、附睾白色脂肪组织、腹股沟白色脂肪组织和棕色脂肪组织，PS-NP标记的荧光检测呈阳性，其中肝脏显示出最大的荧光偏差。正如预期，WD和NP暴露观察到更严重的影响，导致脂质代谢破坏和全身炎症增加。应注意，肝脏脂质代谢在调节激素代谢中也起着重要作用；此外，激素调节失调也可能反过来影响肝脏。因此，这提出了肝脏干扰影响生殖和代谢健康的轴。由于肝脏将脂质包装并运输到其他器官，但最主要的是脂肪组织，因此检查MNP暴露对脂肪组织（一个主要的内分泌和代谢组织）的影响也很重要。

3.3. 脂肪组织

脂肪组织是调节免疫反应、内分泌信号、体温调节和全身代谢的关键异质性组织。其多功能性使其在MNP暴露背景下至关重要，因为脂肪组织功能障碍的后果可以波及到其他器官，如肝脏、胰腺、心脏、大脑、生殖器官等。脂肪组织主要有四种类型，其功能和体内分布不同。从白色到米色到棕色，线粒体含量相应增加，随后能量消耗潜力大于能量储存。白色脂肪组织（WAT）占身体脂肪含量的大部分，而棕色（BAT）和米色脂肪组织只占身体肥胖的很少部分；然而，它们的体温调节功能显著贡献于全身能量消耗。白色脂肪组织的储存位置也可能影响其功能，因为内脏和皮下脂肪组织被鉴定具有不同的转录组谱、细胞群和组织通讯路线。粉色脂肪组织独特地用于生殖，其主要功能是在怀孕期间用于泌乳。值得注意的是，脂肪组织分泌EVs用于跨组织通讯，含有多种货物，包括非编码RNA，这些RNA在暴露于内分泌干扰物时可能发生改变。

在小鼠中，通过自由饮水或口服灌胃暴露于5μm PS-MPs 10周，导致剂量依赖性体重变化，出乎意料的是，接受0.1 μg/mL的组体重增加最高。作者提出，较高浓度的PS-MPs可能损伤了组织，因此不是刺激脂肪合成，而是组织对MP诱导的损伤作出反应。通过评估身体成分和代谢指标，PS-MP暴露显著增加了WAT积累，