纳米塑料通过破坏肝糖异生介导雄性大鼠不育：体内证据与分子对接分析

本研究探讨了纳米塑料（NPs）暴露如何通过干扰肝糖异生导致雄性不育。研究人员通过体内实验和分子对接分析，发现NPs诱导氧化应激（ROS）、激活炎症（NF-κB、TNF-α、IL-1、IL-6）和凋亡（BAX、caspase-9），并显著改变糖代谢关键基因（PCK1、G6PC1、PYGL、GLUT4）表达，最终导致精子质量下降。该研究揭示了NPs代谢毒性新机制，为环境污染物致男性生殖障碍提供了重要理论依据。

　　

随着塑料制品在全球范围内的广泛使用，塑料污染已成为严峻的环境问题。其中，纳米塑料（Nanoplastics, NPs）作为塑料降解的产物，因其尺寸微小（通常小于100纳米）、易于在生物体内积累和转移，近年来受到广泛关注。这些微小颗粒能够通过 ingestion（摄入）、inhalation（吸入）或 dermal contact（皮肤接触）进入人体，甚至穿越血脑屏障和胎盘屏障，对多个器官系统构成潜在威胁。尽管已有研究报道了NPs的毒性效应，但其对雄性生殖系统的损害机制，特别是如何通过干扰代谢途径引发不育，尚不完全清楚。

在此背景下，来自印尼 Airlangga 大学的研究团队在《Emerging Contaminants》上发表了一项研究，深入探讨了NPs暴露如何通过破坏肝糖异生（Gluconeogenesis）导致雄性大鼠不育，并结合分子对接技术揭示了NPs与关键代谢蛋白的直接相互作用。

为全面评估NPs的毒性效应，研究人员设计了一项动物实验，将成年雄性Wistar大鼠分为5组，分别口服0、100、200、400和800 μg/kg体重的聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs），连续处理55天以模拟亚慢性暴露。通过检测血清肝功能指标（AST、ALT）、炎症因子（TNF-α、IL-1、IL-6）和凋亡蛋白（BAX、caspase-9），并结合qPCR分析肝组织中糖代谢相关基因（PCK1、G6PC1、PYGL、GLUT4、GYS2、胰岛素）及表观遗传调控因子（DNMT2、TCONS_00074622、TCONS_00083977）的表达变化，系统评估了NPs的肝毒性和代谢干扰作用。同时，通过精子质量分析（ motility、viability、morphology）和扫描电镜观察，明确了NPs对生殖功能的损害。此外，研究还采用分子对接和分子动力学模拟，分析了NPs与多个靶蛋白（包括PYGL、PCK1、GLUT4、G6PC1、DNMT2、Caspase-9等）的结合模式和稳定性。

3.1. Hepatic damage linked to NPs exposure

研究结果显示，NPs暴露导致大鼠血清AST和ALT水平显著升高，且呈剂量依赖性，最高剂量组（800 μg/kg）的ALT水平达到26.60 U/L，表明NPs引发了明显的肝细胞损伤。

3.2. Effects of NPs on inflammatory cytokine expression in rat

肝脏NF-κB基因表达显著上调，同时血清中促炎细胞因子TNF-α、IL-1和IL-6水平均明显升高，说明NPs激活了炎症反应通路。

3.3. Effects of NPs on apoptotic markers

凋亡相关蛋白BAX和caspase-9的血清浓度在NPs处理组中显著增加，表明NPs通过线粒体途径诱发了细胞凋亡。

3.4. Effects of NPs on gene expression related to glucose and insulin metabolism

qPCR分析发现，NPs处理后，肝脏中PCK1、G6PC1和PYGL基因表达上调，而胰岛素和GLUT4表达下调，提示糖异生和糖代谢途径受到显著干扰。

3.5. Effects of NPs on epigenetic regulation

表观遗传调控因子DNMT2以及长链非编码RNA TCONS_00074622和TCONS_00083977的表达均出现上调，表明NPs还可能通过表观遗传机制影响基因表达。

3.6. Effects of NPs exposure on sperm quality

精子 motility、viability 显著下降，异常精子形态比例增加。扫描电镜进一步揭示了精子头部变形、断裂等超微结构损伤，证实NPs对雄性生殖功能造成了直接损害。

3.7. Molecular Docking Results

分子对接显示，NPs与多个关键代谢蛋白（如PYGL、PCK1、GLUT4、G6PC1）具有较高的结合亲和力（结合能介于-5.3至-6.0 kcal/mol），主要通过范德华力、疏水作用和π-π堆叠相互作用。

3.8. Molecular Dynamic Simulation

分子动力学模拟表明，NPs与PYGL、PCK1、G6PC1等蛋白的结合复合物具有较低的RMSF值（<3 ?），结合构象稳定，而与其他蛋白（如胰岛素、GLUT4）的结合则波动较大。

研究结论部分强调，NPs暴露通过诱导线粒体途径的细胞凋亡、激活炎症反应以及干扰肝糖异生和胰岛素信号通路，最终导致精子发生障碍和雄性不育。分子对接和动力学模拟进一步从理论上支持了NPs与糖代谢关键蛋白的直接相互作用，为NPs的代谢毒性提供了分子机制解释。

该研究的重要意义在于，首次系统阐明了NPs通过破坏肝糖异生介导雄性不育的机制，并结合计算生物学方法揭示了NPs与生物大分子的直接相互作用。这不仅深化了对环境污染物生殖毒性的认识，也为未来制定相关防护策略和健康风险评估提供了重要依据。