聚乙烯（PE）与聚丙烯（PP）纳米塑料经小鼠气管滴注模型的比较性肺毒理：表面反应性、氧化应激与炎症。

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Comparative toxic potential of polypropylene and polyethylene nanoplastics using a mouse intratracheal instillation model

　　

聚乙烯（polyethylene，PE）和聚丙烯（polypropylene，PP）可诱发急性肺部炎症。基于表面积（surface area）评估，PE 和 PP 比柴油尾气颗粒（diesel exhaust particles，DEP；SRM 2975）毒性更强。单次暴露后，PE 和 PP 引起轻度炎症并持续至 28 天。纳米塑料（nanoplastics）诱导的氧化应激（oxidative stress）与肺部炎症相关。纳米塑料通过氧化应激介导的炎症通路发挥作用。

研究背景：全球塑料年产量约 4 亿吨，预计 2060 年接近增加两倍。非纤维塑料中聚乙烯（polyethylene，PE）占 36%、聚丙烯（polypropylene，PP）占 21%、聚氯乙烯占 12%。塑料降解形成微/纳米塑料，已在空气、水、土壤和食品相关产品中检出，并可经食物链传递和吸入进入人体。吸入是最危险暴露途径之一，因超细颗粒肺泡沉积率高、滞留久，可与肺内免疫和上皮细胞互作，诱发肺部炎症并加重慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）和哮喘等。现有毒理研究多使用聚苯乙烯（polystyrene，PS），而 PE 和 PP 虽广泛使用，却缺乏直接比较其肺毒性的研究，且不同聚合物表面化学等理化性质可能产生不同毒理结局。氧化应激（oxidative stress）被认为是微/纳米塑料的重要毒性机制。因此，研究人员开展 PE 和 PP 纳米塑料的小鼠气管滴注比较研究，并以美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的 SRM 2975 柴油尾气颗粒作为基准颗粒，评估其吸入健康风险相关性。该研究提供了 PE 和 PP 纳米塑料肺部炎症潜力的首个受控比较。

关键技术方法：PE 和 PP 通过改良非溶剂诱导沉淀法制备；采用扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）、Brunauer-Emmett-Teller（BET）法、动态光散射（dynamic light scattering，DLS）、傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared，FT-IR）、X 射线光电子能谱（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）和鲎变形细胞裂解物（Limulus Amebocyte Lysate，LAL）试验进行理化与内毒素表征；颗粒以 5% 小鼠血清辅助分散并超声。动物为 8 周龄特异性无病原体（specific-pathogen-free，SPF）雌性 Institute of Cancer Research（ICR）小鼠，购自 Hana Biotech（韩国京畿道）；SRM 2975 购自 NIST。开展小鼠气管滴注、支气管肺泡灌洗液（bronchoalveolar lavage fluid，BALF）分析、肺组织病理、肺泡巨噬细胞活性氧（reactive oxygen species，ROS）检测、mRNA 微阵列与多路径颗粒剂量学（multiple-path particle dosimetry，MPPD）建模。

研究结果：
3.1 测试颗粒的理化性质：SEM 显示 PE、PP 和 SRM 2975 均为球形；初级尺寸分别为 357 ± 29 nm、473 ± 12 nm 和 43 ± 0.01 nm。BET 比表面积 PE 为 21.87 m²/g、PP 为 23.07 m²/g、SRM 2975 为 90.80 m²/g；孔尺寸 PE 为 27.80 nm、PP 为 17.11 nm。在 DPBS 含 5% 血清中，PE 和 PP 水动力尺寸接近初级尺寸，SRM 2975 发生聚集；所有颗粒 Zeta 电位相近，FT-IR 和 XPS 证实 PE 和 PP 化学特征，内毒素低于检测限。说明给药悬液分散状态良好，SRM 2975 在暴露介质中聚集。

3.2 滴注后 24 h 纳米塑料的比较炎症潜力：通过 BALF 分析发现，PE 和 SRM 2975 在 150 和 300 μg/mouse 显著增加总细胞数，PP 仅边缘增加；所有处理组肺泡巨噬细胞百分比下降、中性粒细胞百分比升高。按质量浓度，炎症诱导能力为 PE > SRM 2975 > PP；按表面积浓度，排序变为 PE > PP > SRM 2975。PE 和 PP 显著升高乳酸脱氢酶（lactate dehydrogenase，LDH）和总蛋白，所有颗粒升高白细胞介素（interleukin，IL）-1β、IL-6 和单核细胞趋化蛋白-1（monocyte chemoattractant protein-1，MCP-1）；IL-10 低于检测限。说明 PE 急性炎症最强，且剂量基准影响毒性排序。

3.3 滴注后 24 h 组织学分析：高剂量组所有颗粒均引起肺泡炎症细胞浸润，未见于血管周围、支气管周围或间质其他病理改变；SRM 2975 主要定位于肺泡巨噬细胞，PE 和 PP 因透明性未见类似摄取。组织学支持急性炎症反应。

3.4 滴注后 7 和 28 天时间依赖性炎症反应：单次滴注后 BALF 显示炎症随时间缓解，但轻度炎症状态持续，PE 较其他颗粒更持久；24 h 升高的炎症细胞因子在 7 和 28 天仍可检出，但水平较低且动物间变异较大。说明单次暴露后存在恢复动态，PE 残留炎症更明显。

3.5 滴注后 7 和 28 天组织学分析：7 天时 PE 和 PP 组肺泡可见轻度炎症细胞浸润，SRM 2975 主要位于肺泡巨噬细胞且炎症细胞浸润轻微；28 天时 PE 和 PP 组仅见肺泡组织细胞增多，SRM 2975 颗粒仍存在于肺泡，提示清除延迟。组织学与 BALF 的轻度残留炎症一致。

3.6 肺泡巨噬细胞离体氧化应激及其与毒性终点的相关性：24 h 时 PE 和 SRM 2975 显著升高肺泡巨噬细胞 ROS，PP 无显著变化；ROS 与总细胞数、肺泡巨噬细胞百分比、中性粒细胞百分比、中性粒细胞数、总蛋白、IL-6 和 MCP-1 显著相关，与 IL-1β 等无显著相关；7 和 28 天 ROS 与对照相当。说明氧化应激与多个炎症终点相关。

3.7 暴露 PE 和 PP 纳米塑料后小鼠肺组织转录组分析：微阵列检出 41,345 个基因，1,053 个表达改变≥2 倍；PE 组 282 个上调、194 个下调，PP 组 396 个上调、281 个下调，SRM 2975 组 266 个上调、198 个下调。功能富集模式相似，均涉及炎症相关功能；分泌蛋白相关炎症基因分为 4 个聚类：Cluster 1 为 PP 特异上调，Cluster 2 为三组共同上调，Cluster 3 为 PE 特异上调，Cluster 4 为三组共同下调。经典通路中炎症和细胞因子分泌居前，细胞因子风暴信号相似，但肿瘤坏死因子受体、干扰素-β、IL-6 和 IL-10 相关通路存在细微差异。网络分析涉及 ROS 生成、细胞运动、趋化和炎症反应；脂质运载蛋白 2（lipocalin 2，LCN2）、serpin 家族 A 成员 3（serpin family A member 3，SERPINA3）和集落刺激因子 1（colony-stimulating factor 1，CSF1）在三组共同上调；PE 特异上调 C-X-C 基序趋化因子配体 9（C-X-C motif chemokine ligand 9，CXCL9）、serpin 家族 B 成员 2（serpin family B member 2，SERPINB2）和干扰素诱导 GTP 酶 1（interferon-inducible GTPase 1，Iigp1）。该转录组为 n = 1 的探索性描述，提示 PE 和 PP 共享及特异的炎症与氧化应激信号。

讨论总结：4.1 比较炎症潜力表明，PE、PP 和 SRM 2975 均诱导剂量依赖性急性肺炎症，但相对强度随剂量基准改变；BET 表面积不能单独解释差异，表面积基准下 PE > PP > SRM 2975，提示内在表面反应性尤其是 ROS 生成能力参与纳米塑料更强炎症潜力。4.2 表面反应性包括表面氧化特征和生物-纳米界面性质，可能影响摄取、溶酶体膜相互作用和蛋白冠形成。4.3 IL-1β 在 PE 150 μg/mouse 高于 300 μg/mouse，可能反映炎症峰值附近生物学变异；7 和 28 天弱反应期变异限制剂量依赖持续性的解释。4.4 既往研究表明 PP 反复滴注可经 p-p38 和 p-NF-κB 诱导严重肺炎症和细胞毒性，PP 微塑料最低观察到有害效应浓度（lowest observed adverse effect concentration，LOAEC）为 2 mg/m³。4.5 本研究将纳米塑料操作定义为水动力尺寸低于 1 μm；PE 和 PP 水动力尺寸分别为 375 和 473 nm。MPPD 建模显示 300 μg/mouse 约相当于 2 mg/m³ LOAEC 下 1.4–2.3 天吸入暴露，或首尔 PM_2.5 1000 μg/m³ 下 27–46 天肺泡沉积当量，但应视为背景性而非精确等效。4.6 转录组提示 LCN2、SERPINA3 和 CSF1 共同上调，PE 特异基因可能反映 ROS 驱动的炎症；PP 表达改变基因最多，但包括促炎和免疫抑制通路；高剂量结果应视为机制性而非日常暴露。4.7 局限包括转录组 n = 1、BALF n = 4、单次滴注、7 和 28 天仅高剂量、高剂量机制背景以及仅使用雌性小鼠。结论翻译：本研究对 PE 和 PP 纳米塑料相对于 SRM 2975 的炎症潜力进行了比较评价。PE 表现出最强的急性炎症反应，基于表面积归一化显示 PE 和 PP 均比 SRM 2975 更具炎症性，突显颗粒表面反应性在驱动炎症结局中的重要性。巨噬细胞来源 ROS 与多个炎症终点强相关，支持氧化应激为受试颗粒共享的中心机制。尽管单次暴露后炎症随时间减弱，早期反应为吸入纳米塑料风险评估提供机制见解。未来需纳入环境相关剂量、重复暴露和性别平衡设计，以将发现扩展至真实人类暴露场景。