《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Polystyrene nanoplastics induce pulmonary oxidative stress and programmed cell death through the cGAS-STING-NLRP3 pathway
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本研究针对大气中可吸入的聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）引发急性肺损伤的分子机制尚不明确的问题，研究人员通过建立小鼠急性滴鼻模型，结合分子对接与动力学模拟，系统探究了PS-NPs的肺部毒性。结果发现，PS-NPs暴露通过诱导线粒体损伤和活性氧（ROS）爆发，激活cGAS-STING-NLRP3信号轴，进而驱动细胞焦亡和炎症因子风暴，最终导致急性肺损伤。该研究首次揭示了cGAS-STING-NLRP3通路在纳米塑料肺毒性中的核心作用，为相关健康风险评估和靶向治疗提供了关键理论依据和新靶点。
随着塑料制品的广泛使用，环境中微塑料和纳米塑料的污染日益严重，已成为全球性的环境与健康问题。其中，聚苯乙烯纳米塑料（Polystyrene Nanoplastics, PS-NPs）因其尺寸微小（通常小于100纳米）且具有环境持久性，尤其令人担忧。这些微小的颗粒可以通过呼吸进入人体，并沉积在肺泡深处，甚至可能穿越肺泡毛细血管屏障进入体循环，对呼吸系统健康构成重大威胁。尽管已有证据表明PS-NPs暴露会引发氧化应激、慢性炎症和细胞死亡等毒性反应，但其诱发急性肺损伤的具体分子机制，特别是如何将上游的细胞应激事件与下游协调的炎症反应和细胞死亡执行联系起来，尚未被完全阐明。
为了深入探究这一问题，并发表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》上的研究，西南医科大学附属医院呼吸内科的研究团队开展了一项系统的研究。他们提出假设：吸入的PS-NPs可能是通过激活先天免疫中的cGAS-STING-NLRP3信号轴来驱动肺部炎症和损伤。这条通路被认为是连接胞质DNA感知与炎症反应的关键桥梁，但在PS-NPs诱导的肺毒性中的作用尚未得到验证。
为验证这一假说，研究人员整合了体内模型和计算机模拟策略。研究首先对购买的PS-NPs进行了扫描电子显微镜（SEM）表征，确认其形貌和尺寸分布在50-100纳米之间。随后，他们建立了小鼠急性暴露模型，将6-8周龄的雄性C57BL/6小鼠随机分为对照组、低剂量PS-NPs组（50 mg/kg）和高剂量PS-NPs组（100 mg/kg），通过连续7天的鼻腔滴注方式进行染毒。染毒结束后，收集小鼠肺组织进行一系列分析。关键实验技术包括：组织病理学评估（H&E染色和损伤评分）、氧化应激指标检测（ROS、MDA、SOD）、细胞死亡检测（TUNEL染色、流式细胞术分析凋亡、Western Blot检测凋亡相关蛋白）、炎症因子表达分析（qRT-PCR、ELISA）、蛋白表达水平检测（Western Blot、免疫组织化学IHC、免疫荧光IF），以及分子对接和分子动力学模拟（使用AutoDock Vina和GROMACS软件）来验证PS-NPs与NLRP3蛋白的相互作用。
3.1. Characterization of PS-NPs
通过扫描电子显微镜（SEM）对聚苯乙烯颗粒的形貌和尺寸进行表征，确认所用PS-NPs的平均粒径在50至100纳米之间。
3.2. Inhalation exposure to PS-NPs induces ROS-induced oxidative stress and lung injury
H&E染色结果显示，与对照组相比，PS-NPs处理组小鼠肺组织出现了剂量依赖性的病理改变，包括炎性细胞浸润增强、肺泡结构破坏、肺泡间隔增厚、蛋白样物质渗出、血管充血和组织水肿。氧化应激指标检测发现，PS-NPs暴露组肺组织中活性氧（ROS）和丙二醛（MDA）水平显著升高，而超氧化物歧化酶（SOD）活性明显降低，表明PS-NPs暴露破坏了抗氧化防御系统并促进了氧化损伤。
3.3. PS-NPs induce apoptosis
TUNEL染色和流式细胞术分析均显示，PS-NPs暴露显著增加了小鼠肺组织中的细胞凋亡率。免疫荧光检测发现切割型Caspase-3（C-Caspase-3）表达明显上调。Western Blot结果进一步证实，PS-NPs暴露上调了促凋亡蛋白Bax和细胞色素c（Cyt-c）的表达，下调了抗凋亡蛋白Bcl-2的表达，并增加了C-Caspase-3的蛋白水平，这些变化共同表明PS-NPs激活了线粒体凋亡途径。
3.4. PS-NPs induce cytokine storm and pyroptosis through activation of the NLRP3 inflammasome
分子对接模拟显示PS-NPs与NLRP3蛋白之间存在结合（结合能为-5.7 kcal/mol），分子动力学模拟（100 ns）通过RMSD、Rg和SASA等指标证实了该复合物的结构稳定性。qRT-PCR分析表明，PS-NPs暴露显著上调了多种炎症因子（IL-6、TNF-α、MCP-1、IL-18、IFN-β、NLRP3、IL-1β）的mRNA水平。ELISA和Western Blot结果证实，PS-NPs促进了IL-1β和IL-18的释放，并上调了NLRP3炎症小体相关蛋白（NLRP3、ASC、Pro-Caspase-1、Cleaved-Caspase-1）以及焦亡执行蛋白GSDMD-NT的表达。免疫组化染色也显示肺组织中GSDMD-NT表达增加，支持了PS-NPs诱导细胞焦亡的结论。
3.5. PS-NPs activate the cGAS-STING-IRF3 signaling pathway
免疫组化（IHC）分析显示，PS-NPs暴露后小鼠肺组织中cGAS和STING蛋白表达显著升高。Western Blot结果进一步证实，cGAS-STING通路及其下游信号分子磷酸化TBK1（p-TBK1）、磷酸化IRF3（p-IRF3）和磷酸化NF-κB（p-NF-κB）的蛋白水平均被上调，表明PS-NPs激活了cGAS-STING-IRF3信号级联反应。
综上所述，本研究系统地证明了吸入性PS-NPs可通过诱导线粒体损伤和ROS爆发，导致mtDNA泄漏至胞质，进而激活cGAS-STING信号通路。活化的STING通过招募TBK1并磷酸化IRF3和NF-κB，一方面促进I型干扰素和促炎细胞因子的产生，另一方面为NLRP3炎症小体的组装和活化提供关键信号。最终，活化的NLRP3炎症小体切割GSDMD，引发细胞焦亡和强烈的炎症反应（细胞因子风暴），从而导致急性肺损伤。
这项研究的意义重大。它首次揭示了cGAS-STING-NLRP3轴在纳米塑料肺毒性中的核心作用，为理解PS-NPs的毒理机制提供了全新的分子框架。这一发现不仅有助于开发早期生物标志物用于健康风险评估，更重要的是指出了cGAS、STING或NLRP3等关键节点作为潜在干预靶点，为未来开发针对纳米塑料相关肺损伤的靶向治疗策略奠定了坚实的理论基础。同时，从源头预防的角度，该研究也强调了开发具有固有抗氧化特性或可生物降解的“绿色”纳米材料的重要性。尽管研究存在如使用单一纯化PS-NPs、采用急性高剂量模型等局限性，但它为后续在更接近真实世界的复杂暴露场景下深入研究该通路的作用，以及探索其在不同疾病模型和慢性暴露中的意义指明了方向。
