聚乙烯纳米塑料与多种生物膜相互作用的分子动力学研究：揭示其对细胞膜系统的潜在毒性机制

微塑料(MPs)和纳米塑料(NPs)污染日益严重，但其与生物膜相互作用的分子机制尚不明确。研究人员通过全原子分子动力学(MD)模拟，系统研究了聚乙烯纳米塑料(PENPs)与质膜、内质网膜、高尔基体膜、溶酶体膜及内体膜的相互作用。研究发现PENPs能自发聚集形成纳米颗粒，吸附并插入膜疏水核心，改变脂质排列并抑制膜流动性。该研究为理解纳米塑料细胞毒性提供了原子尺度见解，发表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》。

　　

塑料污染已成为全球性环境问题，微塑料(<5 mm)和纳米塑料(<1000 nm)通过降解过程不断释放到环境中，并已在水体、土壤、大气乃至各类食品中被广泛检出。更令人担忧的是，这些微小塑料颗粒正通过饮食、呼吸和皮肤接触等途径悄然侵入人体——从2019年首次在人类粪便中发现后，后续研究陆续在结肠、胎盘、肺脏、血液、肝脏甚至母乳等多种人体组织和体液中检测到它们的存在。虽然这些污染物对人体健康的具体影响尚不完全清楚，但已有证据表明它们可能引发炎症、氧化应激、免疫功能障碍等多种不良反应，甚至与心血管疾病风险增加相关。

面对这一严峻形势，国内某研究机构的研究人员聚焦于纳米塑料与生物膜系统的相互作用机制这一关键科学问题。生物膜作为抵御有害物质的第一道屏障，其与纳米塑料的相互作用直接影响污染物的细胞毒性效应。然而传统实验方法难以在分子尺度解析这一过程，既往模拟研究又普遍简化了膜脂质组成，忽略了生物膜异质性的重要性。为此，研究团队采用全原子分子动力学(MD)模拟技术，首次系统研究了聚乙烯纳米塑料(PENPs)与五种生物膜(包括质膜和四种细胞器膜)的相互作用，相关成果发表在环境健康领域权威期刊《Ecotoxicology and Environmental Safety》上。

研究主要运用了以下关键技术方法：基于文献报道的膜脂质组学数据构建生物膜结构模型；采用CHARMM-GUI Membrane Builder搭建包含32种脂质的复杂膜系统；利用GROMACS 2021.2软件进行1000 ns的全原子MD模拟；通过质量密度分布、接触数、回转半径等参数定量分析相互作用过程；最后采用多种生物物理参数评估膜结构特性的变化。

2.1 聚乙烯纳米塑料与质膜的相互作用

研究发现聚乙烯分子能快速聚集形成纳米颗粒(PENP)，并在0.1 ns内接近质膜表面。随后PENP通过吸附、插入等步骤最终(3.0 ns)进入脂双层疏水核心。定量分析显示，插入过程使单脂面积(APL)从0.429增至0.439 nm²，氢键数量从0.601降至0.584/脂质，表明聚乙烯 loosened 了质膜脂质排列。

2.2 与内质网膜的相互作用

内质网膜系统中，PENP在470 ns开始插入，最终部分聚乙烯分子溶解在膜疏水环境中。不同于质膜，聚乙烯使内质网膜流动性从0.991增至1.140×10^-7 cm²/s，这与其富含不饱和磷脂SAPC(27%)的特性相关。

2.3 与高尔基体膜的相互作用

高尔基体膜表现出独特响应：聚乙烯插入后APL从0.612降至0.615 nm²，氢键和钠离子耦合增加，膜流动性从0.540降至0.515×10^-7 cm²/s，提示聚乙烯增强了该膜系统的分子间相互作用。

2.4 与溶酶体膜的相互作用

溶酶体膜中PENP在150 ns开始插入，APL从0.559增至0.565 nm²，但膜流动性却降低，显示聚乙烯对其动力学特性产生抑制作用。

2.5 与内体膜的相互作用

内体膜系统表现出最温和的响应：APL仅从0.491增至0.496 nm²，氢键数量无显著变化，但钠离子耦合增强导致膜流动性下降。

这项研究首次在原子尺度揭示了聚乙烯纳米塑料与多种生物膜的相互作用机制。研究发现无论质膜还是细胞器膜，PENPs都能自发穿透并定位于疏水核心，且对不同膜系统产生差异化影响：在内质网膜中增加流动性，而在高尔基体膜、溶酶体膜和内体膜中则抑制流动性。这种差异主要源于各膜系统特异的脂质组成，特别是聚乙烯与不饱和磷脂SAPC的优先结合特性。

尽管模拟显示聚乙烯引起的膜结构扰动比预期温和，但研究者指出这可能受限于模拟时间尺度和小分子数量。值得注意的是，随着模拟进行，越来越多的聚乙烯分子持续进入膜内部，暗示长期暴露可能导致纳米塑料在膜内累积并放大毒性效应。这些发现为理解纳米塑料的细胞毒性机制提供了重要理论依据，也为评估其长期健康风险提供了分子层面的新见解。该研究强调，未来需要更多关注纳米塑料对整个内膜系统(而不仅是质膜)的影响，这对全面认识其生物效应具有重要意义。