揭示聚苯乙烯纳米塑料的肺毒性：一种导致急性和亚急性肺损伤的层级性氧化应激机制

《Research》：Unveiling the Pulmonary Toxicity of Polystyrene Nanoplastics: A Hierarchical Oxidative Stress Mechanism Driving Acute–Subacute Lung Injury

本研究系统探究了聚苯乙烯纳米塑料（PS NPs）诱导急性-亚急性肺损伤的机制，发现PS NPs通过氧化应激级联反应（Nrf2/HO-1激活、炎症因子释放、线粒体功能障碍和凋亡）在体外和体内模型中导致肺损伤，提示纳米塑料对呼吸健康构成重大威胁。

　　纳米塑料的广泛污染已成为全球公共健康的重要议题。随着塑料制品在日常生活和工业中的广泛应用，其分解后产生的微米和纳米级颗粒逐渐成为环境中新的污染物。尤其是直径小于100纳米的纳米塑料，因其独特的物理化学性质，如表面积大、易迁移和渗透等，被认为对人类健康构成更深远的威胁。本文通过系统研究纳米塑料对肺部健康的影响，揭示了其对呼吸系统可能造成的急性与亚急性损伤，并进一步探讨了相关机制。

研究指出，纳米塑料特别是聚苯乙烯纳米塑料（PS NPs）主要通过吸入途径进入人体，因此肺部是其主要作用靶点。PS NPs因其优良的机械性能、透明度和低成本，被广泛用于食品包装和生物医学领域。然而，这些优点也带来了潜在的健康风险。近年来，越来越多的实验研究表明，PS NPs可能通过诱导氧化应激、炎症反应和上皮屏障破坏，导致肺部损伤。但目前对于PS NPs如何具体引发急性与亚急性肺损伤的机制尚不明确，因此本研究通过体外和体内实验，系统探讨了其作用路径。

在体外实验中，研究人员使用了两种主要的肺部细胞模型：人支气管上皮细胞（BEAS-2B）和小鼠单核巨噬细胞（RAW 264.7）。实验结果显示，PS NPs在不同浓度下对这两种细胞均表现出显著的细胞毒性。随着PS NPs浓度的升高，细胞活力逐渐下降，同时细胞内活性氧（ROS）水平明显上升。这一现象表明，PS NPs可能通过诱导氧化应激反应，对肺部细胞造成损害。进一步的实验发现，细胞内ROS的积累触发了Nrf2/HO-1的上调，这是一种重要的抗氧化反应机制。Nrf2是调控细胞抗氧化反应的关键转录因子，能够增强II相抗氧化酶的表达，从而恢复细胞内的氧化还原平衡。然而，当ROS的生成量超过细胞的抗氧化能力时，会进一步激活MAPK和NF-κB等炎症相关通路，导致促炎细胞因子的释放，如IL-6、IL-8和TNF-α。这些细胞因子在肺部炎症反应中起着重要作用，表明PS NPs可能通过引发炎症反应对肺部造成损害。

在更深层次的机制中，持续的氧化应激还导致了线粒体功能障碍，表现为线粒体超氧化物的增加和线粒体膜电位的降低。这些变化最终触发了细胞凋亡过程，导致细胞死亡。线粒体是细胞能量代谢的核心，其功能受损会严重影响细胞的生存状态。实验中还通过多种方法，如OCR（氧消耗率）测定和ATP生成分析，验证了PS NPs对线粒体功能的抑制作用。这些结果表明，PS NPs不仅能够引发氧化应激，还通过影响线粒体功能，进一步加剧了肺部细胞的损伤。

为了验证这些体外实验结果，研究人员还进行了小鼠模型的体内实验。通过鼻腔滴注的方式，将PS NPs暴露于小鼠体内，并在不同时间点（如40小时、7天、14天、21天和28天）对肺部组织进行分析。实验结果显示，PS NPs在小鼠肺部中表现出明显的沉积和积累，尤其是在支气管和肺泡区域。同时，肺部组织中促炎细胞因子的水平显著上升，表明PS NPs诱导的炎症反应具有时间依赖性。此外，肺部组织中胶原蛋白沉积的增加进一步证实了肺纤维化的发生，这与体外实验中观察到的细胞凋亡和线粒体损伤现象一致。

为了进一步评估PS NPs的毒性，研究人员还对小鼠的其他器官（如心脏、肝脏、脾脏和肾脏）进行了病理学分析。结果显示，虽然PS NPs主要影响肺部，但其对肝脏和肾脏也表现出一定的毒性作用。肝脏中出现了轻度的炎症浸润，而肾脏中则出现了早期的肾小球损伤迹象。然而，这些毒性效应在体内实验中表现得相对较轻，表明PS NPs的毒性主要集中在肺部。此外，通过血清和BALF（支气管肺泡灌洗液）中的促炎因子分析，研究人员发现PS NPs引起的炎症反应具有一定的局部性，且其影响随暴露时间的延长而加剧。

为了进一步探究PS NPs的毒性机制，研究人员还使用了N-乙酰半胱氨酸（NAC）进行干预实验。NAC是一种经典的抗氧化剂，能够清除自由基并恢复细胞内的氧化还原平衡。实验结果显示，NAC预处理可以显著降低PS NPs引起的ROS生成，并有效恢复细胞活力，说明PS NPs的毒性确实与氧化应激密切相关。这一发现不仅验证了PS NPs对肺部细胞的损伤机制，还为未来开发针对纳米塑料暴露的预防或治疗策略提供了理论依据。

此外，研究还关注了PS NPs在体内的分布情况。通过荧光标记的PS NPs（GF PS NPs）进行体内追踪，研究人员发现这些纳米塑料主要沉积在肺部，并且在暴露后40小时内仍能被检测到。这一结果进一步支持了PS NPs对肺部的靶向性，也表明其在体内具有一定的滞留能力。同时，通过荧光显微镜观察，研究人员还发现PS NPs能够被肺部巨噬细胞有效摄取，并在体内引发一系列的炎症反应和氧化应激事件。

研究还对PS NPs的生物相容性和系统安全性进行了评估。通过血红细胞裂解实验，研究人员发现PS NPs在一定浓度下能够引起血红细胞的裂解，表明其对血液系统也存在潜在的毒性风险。然而，这种毒性效应在较低浓度下并不显著，说明PS NPs的毒性主要依赖于其浓度和暴露时间。同时，对主要器官的病理学分析显示，尽管PS NPs在肝脏和肾脏中也表现出一定的影响，但其对肺部的毒性更为显著。这一结果表明，PS NPs的健康风险主要集中在肺部，而非全身性的器官毒性。

综上所述，本研究系统地揭示了PS NPs对肺部的毒性机制，表明其通过诱导氧化应激、炎症反应和线粒体功能障碍，最终导致肺部细胞的损伤和肺部结构的破坏。这些发现不仅为理解纳米塑料对呼吸系统的危害提供了重要的理论支持，也为未来评估和防控纳米塑料污染提供了科学依据。同时，研究还强调了对高风险人群进行肺部健康监测的重要性，特别是在长期暴露于塑料制品的环境中。