三维细胞球体模型揭示聚苯乙烯微塑料通过内质网应激诱导血睾屏障毒性机制

本研究针对微塑料（MPs）对男性生殖系统特别是血睾屏障的潜在毒性机制尚不明确的问题，通过构建三维TM4细胞球体（TM4S）模型，系统评估了不同粒径聚苯乙烯微塑料（MPS）的毒性效应。研究发现MPS暴露可诱发内质网应激（ERS），导致活性氧（ROS）水平升高、细胞凋亡增加和炎症反应加剧，且毒性效应呈粒径依赖性。该研究为阐明微塑料生殖毒性机制提供了重要实验依据，对评估环境微污染物的健康风险具有重要意义。

　　

随着全球塑料污染日益严重，微塑料（MPs）作为一种新型环境污染物已广泛存在于海洋、土壤和大气中，并通过食物链进入人体。研究表明，人类每年可能摄入高达11000个塑料颗粒，而血液中微塑料浓度可达14.3μg/mL。这种广泛暴露引发了对其潜在健康风险的深切关注，特别是对生殖系统的影响。

在男性生殖系统中，血睾屏障（BTB）是保护生精细胞免受外界有害物质侵害的重要结构，由Sertoli细胞（TM4）通过紧密连接（TJ）、基底外质特化区（ES）和桥粒结构共同构成。这个屏障不仅为精子发生提供稳定的微环境，还承担着营养物质运输的关键功能。然而，微塑料是否以及如何破坏这一重要屏障，其具体机制尚不明确。

为了解决这一问题，来自南昌大学先进制造学院的研究团队在《Ecotoxicology and Environmental Safety》上发表了一项创新性研究。他们采用三维细胞球体（TM4S）模型，模拟体内高细胞密度环境，系统研究了不同粒径（0.1、0.5、1、5μm）聚苯乙烯微塑料（MPS）对Sertoli细胞的毒性效应及其机制。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：通过超低吸附96孔板培养构建三维TM4细胞球体模型；利用激光共聚焦显微镜（CLSM）和琼脂糖包埋切片技术观察MPS的侵入情况；采用活性氧（ROS）检测试剂盒、乳酸脱氢酶（LDH）释放测定和TUNEL凋亡检测等技术评估细胞生理活性变化；通过免疫荧光染色分析波形蛋白（vimentin）和ZO1蛋白的表达分布；使用RT-qPCR技术检测内质网应激（ERS）相关基因的表达变化。

研究结果方面：

3.1. 最适细胞接种密度的选择

通过比较4000/8000/12000/16000四种细胞密度形成的球体，发现12000细胞组形成的球体中心坏死较少，增殖活性较好，因此选择该密度进行后续实验。

3.2. MPS-TM4S的制备和MPS侵入分析

通过CLSM和切片观察发现，100nm和500nm的MPS能够侵入球体内部，而1μm和5μm的MPS在低浓度时无法侵入，但在高浓度（100μg/mL）时也能进入球体内部。zeta电位分析显示所有MPS均带负电荷，胶体稳定性良好。

3.3. MPS-TM4S的形态变化和分析

MPS暴露导致TM4S形态发生显著变化：投影面积减小、偏心度增加、圆度降低。免疫荧光染色显示，波形蛋白发生收缩和结构损伤，ZO1蛋白荧光强度显著降低，表明细胞骨架和紧密连接受到破坏。

3.4. MPS-TM4S的生物学检测

氧化应激检测显示所有MPS暴露组的ROS水平均升高；LDH释放实验表明细胞膜完整性受损；TNF-α因子水平升高表明炎症反应加剧；TUNEL检测显示细胞凋亡增加。这些变化均与MPS粒径呈正相关。

3.5. MPS对TM4S的毒性作用及内质网应激相关基因表达的影响

基因表达分析显示，抗氧化酶SOD2和CAT表达上调；凋亡相关基因caspase-3表达上调；细胞膜相关蛋白ATP8B1和AGK表达下调。最重要的是，内质网应激相关基因全面上调：IRE1通路中的XBP1S、EDEM；PERK通路中的eIF2α、ATF4、CHOP；ATF6通路中的GRP78、ERP72均表现出上调趋势，且与MPS粒径正相关。

研究结论表明，MPS对TM4细胞的毒性效应具有明显的粒径依赖性。小粒径MPS（0.1-0.5μm）能够侵入球体内部产生细胞毒性，而大粒径MPS（1-5μm）主要通过物理作用在球体表面产生更强烈的毒性效应。MPS暴露通过诱导氧化应激、破坏细胞膜完整性、引发炎症反应和细胞凋亡等多重机制损害血睾屏障功能。特别重要的是，研究首次在三维细胞模型中发现MPS能够诱发内质网应激，激活IRE1、PERK和ATF6三条信号通路，这为理解微塑料的生殖毒性机制提供了新的视角。

这项研究的重要意义在于：首先，建立了更接近体内环境的三维细胞模型来评估微塑料毒性；其次，揭示了粒径是影响微塑料毒性的关键因素；最后，发现了内质网应激是微塑料诱导生殖毒性的重要机制。这些发现为评估环境微塑料的健康风险提供了科学依据，对制定相关防护策略具有重要意义。未来研究需要进一步探索微塑料在不同生殖细胞类型间的复杂相互作用，以及其在单细胞水平的内化机制，从而更全面地理解微塑料对生殖健康的影响。