聚苯乙烯微塑料/纳米塑料通过线粒体功能障碍和mROS诱导骨骼肌细胞胰岛素抵抗的分子机制研究

本研究针对微塑料(MPs/NPs)污染威胁人类健康的重大环境问题，聚焦骨骼肌这一胰岛素调控葡萄糖代谢的关键靶器官，采用人横纹肌肉瘤(RD)细胞模型，揭示PS-MPs/NPs通过诱导线粒体功能障碍和线粒体活性氧(mROS)积累，导致胰岛素受体底物-1(IRS-1)丝氨酸磷酸化、Akt信号抑制和GLUT-4转位障碍，最终引发胰岛素抵抗(IR)的分子机制。研究创新性运用线粒体靶向抗氧化剂MitoQ逆转上述效应，为环境污染物致代谢性疾病提供全新干预靶点。

　　

塑料污染已成为21世纪最严峻的环境健康挑战之一。当废弃塑料在环境中逐渐降解为小于5毫米的微塑料(MPs)和小于0.1微米的纳米塑料(NPs)后，这些肉眼难辨的颗粒可通过食物链进入人体。令人担忧的是，最新研究发现人体血液中已检测到1-4μg/mL浓度的微塑料，而骨骼肌作为人体最大的代谢器官，既是微塑料蓄积的靶组织，又是胰岛素调控全身80%葡萄糖处理的关键场所。然而，微塑料是否以及如何干扰骨骼肌胰岛素敏感性，至今仍是未解之谜。

中国疾病预防控制中心病毒病预防控制所的研究团队在《Ecotoxicology and Environmental Safety》发表的重要成果，首次系统揭示了聚苯乙烯微塑料/纳米塑料(PS-MPs/NPs)通过线粒体活性氧(mROS)-JNK信号轴诱发骨骼肌胰岛素抵抗(IR)的分子机制。研究采用两种粒径(3μm和100nm)、三种浓度(75-300μg/mL)的PS颗粒处理人横纹肌肉瘤(RD)细胞，结合线粒体靶向抗氧化剂MitoQ干预策略，创新性解析了环境污染物致代谢紊乱的细胞生物学基础。

研究主要采用CCK-8法检测细胞活力，激光共聚焦显微镜观察颗粒内化，DCFH-DA和MitoSOX Red分别检测细胞总ROS和mROS，JC-1探针评估线粒体膜电位(ΔΨm)，Fluo-4 AM测定钙离子(Ca²⁺)浓度，ATP检测试剂盒量化能量代谢，并运用Western blot分析JNK/IRS-1/Akt/GLUT-4信号通路蛋白表达。所有实验均设置空白对照和胰岛素刺激(10nM)双条件。

3.1 PS-MPs/NPs抑制胰岛素诱导的响应
研究发现300μg/mL PS-NPs使RD细胞葡萄糖摄取量降低42.7%，且胰岛素刺激无法逆转此效应。共聚焦成像显示荧光标记的PS颗粒可突破细胞膜进入胞质，粒径100nm的NPs比3μm MPs表现出更强的细胞毒性。特别值得注意的是，仅在最高浓度组(300μg/mL)观察到胰岛素促葡萄糖摄取功能完全丧失，提示NPs可能通过尺寸依赖性方式破坏胰岛素敏感性。

3.2 PS-MPs/NPs引发氧化应激损伤
暴露48小时后，300μg/mL处理组mROS水平激增2.3倍，细胞总ROS升高1.8倍，脂质过氧化产物MDA增加67%。但超氧化物歧化酶(SOD)活性和谷胱甘肽(GSH)含量未显著改变，表明抗氧化系统未受激活。这种选择性氧化应激特征暗示MPs/NPs可能通过线粒体特异性途径破坏氧化还原平衡。

3.3 PS-MPs/NPs损害线粒体功能
Pearson共定位系数(r=0.58-0.61)证实PS颗粒可侵入线粒体。功能检测显示：ΔΨm下降58%，Ca²⁺浓度超载2.1倍，ATP产量减少43%。线粒体形态观察发现嵴结构断裂和基质肿胀，这些改变与mROS爆发形成恶性循环——受损线粒体产生更多ROS，而ROS又加剧线粒体损伤。

3.4-3.6 MitoQ的干预效应
250nM MitoQ预处理使mROS水平回落至基线，恢复ΔΨm和ATP产量达85%。机制上，MitoQ通过抑制JNK过度活化(磷酸化水平降低72%)，减少IRS-1 Ser307/312位点磷酸化，使Akt信号通路活性恢复91%，最终使细胞膜GLUT-4表达量回升至正常水平的89%。这种"线粒体-mROS-胰岛素信号轴"的完整调控链条首次被实验证实。

该研究突破性地建立了"环境污染物-线粒体应激-代谢紊乱"的科学关联，为理解微塑料健康危害提供了三方面重要启示：首先，证实骨骼肌是微塑料致代谢障碍的敏感靶点，100nm NPs比微米级颗粒具有更强毒性；其次，揭示mROS是连接线粒体功能障碍与IR的核心介质，这为开发靶向抗氧化剂防治糖尿病提供新思路；最后，建立的PS-MPs/NPs浓度梯度(75-300μg/mL)接近人体实际暴露水平，使研究结论更具公共卫生意义。研究也存在若干局限，如未探讨凋亡途径的贡献，且RD细胞作为肿瘤细胞系可能与原代肌细胞存在差异。未来需要开展动物实验验证，并探索不同聚合物类型微塑料的毒性差异。这些发现为制定环境污染物致代谢性疾病的早期预警和干预策略奠定了重要理论基础。