表面化学性质与尺寸相关颗粒特性塑造斑马鱼肝细胞对聚苯乙烯微塑料和纳米塑料的脂质组学应答

《Environmental Pollution》：Surface chemistry and size-related particle attributes shape lipidomic responses to polystyrene micro- and nanoplastics in zebrafish liver cells

　　

•脂质组学检测到微纳塑料的亚致死效应，这是传统指标所遗漏的
•氨基化微纳塑料导致胆固醇酯在ZFL细胞中积累
•氨基化微纳塑料下调mtp基因，将类固醇积累与受损的脂质出口联系起来
•普通纳米颗粒选择性增加暴露ZFL细胞中醚键磷脂酰胆碱
•表面化学和尺寸驱动微纳塑料诱导的脂质失调

引言

微塑料和纳塑料已成为新兴的环境关注点，因为它们广泛分布，并可能对人类和环境健康产生不利影响。微塑料，定义为大小在1微米到5毫米之间的塑料，已在全球各地的土壤、沉积物和海洋中被检测到，预计到未来几年它们的积累量将会增加。然而，由于当前分析方法的局限性，检测和水环境中的量化纳塑料极为困难。常用于分析微塑料的技术，如拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱，对小于1微米的塑料颗粒的常规识别敏感性有限，特别是在复杂的环境基质中。尽管存在这些分析限制，随着微塑料逐渐降解成更小的碎片，纳塑料的环境普遍性预计会增加。

评估微纳塑料环境影响的一个主要挑战不仅在于它们的聚合组成和粒径，还在于其表面的动态转化。微纳塑料源自各种聚合物，包括聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯和聚酯，这些是塑料碎片中最常见的组成部分。虽然这些聚合物通常被认为是化学惰性的，但一旦释放到环境中，它们会通过光降解、氧化和机械侵蚀等过程经历风化。这些转化可以促进碎片化，增加表面粗糙度，引入含氧官能团，并改变颗粒电荷和胶体稳定性。因此，环境老化颗粒可能与原始颗粒与细胞的相互作用不同。

表面转化还影响环境和生物分子的吸附，包括蛋白质、核酸和脂质，导致生物冠的形成，其组成取决于颗粒大小、电荷和微纳塑料表面的官能团。这种生物冠反过来修改颗粒团聚、稳定性、细胞摄取和毒性。例如，牛血清白蛋白吸附到普通和羧基化聚苯乙烯纳米颗粒上增加了它们在水介质中的分散性和稳定性，说明了表面化学和生物分子吸附如何共同决定颗粒行为。然而，环境老化是一个复杂的过程，同时改变多种颗粒特性。因此，使用具有定义表面官能团的颗粒的研究对于隔离特定表面化学特征的贡献是有用的，尽管这些颗粒不能完全重现自然老化微纳塑料的复杂性。

无论尺寸、聚合物组成和表面电荷的差异如何，微纳塑料很容易被水生生物摄入，并已被证明会引起各种不利影响，这些影响通常是浓度和时间依赖的。因此，暴露于聚苯乙烯纳米颗粒降低了心率，抑制了乙酰胆碱酯酶并导致斑马鱼幼鱼的游泳活动降低，而较大的聚苯乙烯微塑料在同一模型中没有显著影响。表面功能化进一步调节微纳塑料的毒性：聚苯乙烯MP-COOH对虾幼虫的危害大于非功能化微塑料，且带正电荷的NP-NH2比中性或带负电荷的更具毒性，尽管生态冠的形成减轻了毒性，但并未消除这些表面电荷效应。长期暴露于聚苯乙烯微塑料还与成年斑马鱼的肝脏毒性有关，在转录组、生物化学和生理水平上检测到脂质和能量代谢的改变。这些改变包括参与糖酵解、脂质代谢、氨基酸代谢和碳代谢的基因下调，以及体重和条件指数的下降，表明能量稳态受损。类似地，Lu等人也报告称，暴露于5微米和70纳米的聚苯乙烯颗粒诱导了早期的炎症反应和斑马鱼肝脏中甘油三酯、胆固醇酯和磷脂的积累。

总的来说，这些研究确定了肝脏和脂质代谢作为微纳塑料毒性的相关靶标。然而，证据基于生物体水平指标、广泛的脂质类别或对有限数量代谢基因的分析。因此，尚不清楚观察到的脂质扰动是否反映了一般细胞应激反应，还是其程度和分子模式是否取决于特定的颗粒特性，特别是粒径和表面化学。此外，在其他可比实验条件下对多种表面功能的直接比较仍然稀缺，限制了微纳塑料诱导肝毒性表面特异性机制的识别。

尽管体内研究已经证明微纳塑料的肝毒潜能，但颗粒摄入、组织分布和全身反应的同时发生使得主要细胞机制的识别变得复杂。体外模型提供了一种互补方法，可以更严格地控制颗粒特性和暴露条件。肝脏来源的细胞系，如斑马鱼肝脏细胞，特别适合研究微纳塑料诱导的肝毒性，因为它们保留了与鱼类肝脏相关的代谢特征，肝脏在外源性代谢、能量调节和脂质稳态中起核心作用。此外，该模型能够检查早期细胞反应，包括氧化应激、炎症信号传导和脂质代谢紊乱，在生物体水平效应显现之前。

在基于组学的研究方法中，脂质组学提供了脂质种类及其改变的综合视图，能够检测到微纳塑料暴露引起的微妙代谢扰动，这可能是传统细胞毒性测定或总脂质类别测量所检测不到的。这在肝毒性研究中尤其相关，因为脂质具有结构和调节功能：磷脂和鞘脂有助于膜组织和信号传导，甘油三酯作为能量储存分子，醚键和多不饱和磷脂与氧化还原调节和脂质过氧化易感性密切相关。这些脂质类别的变化因此可能揭示膜完整性、能量储存、氧化平衡和脂质重塑的破坏。

最近证据表明，微塑料和纳塑料可以在ZFL细胞中产生不同的脂质组学反应。因此，Wang等人报告称，急性暴露于聚苯乙烯微塑料降低了多不饱和磷脂水平并改变了参与脂肪酸合成基因的表达，而50纳米的聚苯乙烯纳米颗粒增加了ZFL细胞中的醚键磷脂酰胆碱。这些发现表明，微塑料和纳塑料可能通过部分不同的机制扰乱脂质稳态。然而，表面化学的作用仍不太清楚。

微纳塑料的环境老化引入了氧化的官能团异质组合，同时改变颗粒大小、粗糙度、聚集行为和污染物吸附。虽然定义的羧基、氨基和羟基功能化颗粒不能完全重现这种复杂性，但它们提供了确定特定的表面化学特征是否足以改变细胞和脂质代谢反应的受控方法。因此，这些比较有助于识别可能对环境转化微纳塑料的生物效应做出贡献的机制，并为后续使用实验或自然老化颗粒的研究产生假设。

因此，本研究旨在调查不同粒径和表面化学的聚苯乙烯微纳塑料，包括普通、羧基、氨基和羟基功能化颗粒，在ZFL细胞中的肝毒效应，以确定不同的颗粒特性是否产生相似或表面特异性的分子反应。具体而言，研究旨在确定与粒径和表面功能化相关的脂质代谢途径，并将脂质组学改变与代谢和应激反应途径的转录调控联系起来。作为补充的探索性分析，评估了紫外线处理颗粒对细胞活性和活性氧形成的影响。

化学物质和溶液

Dulbecco改良伊格尔培养基/汉斯F-12营养物，胎牛血清，青霉素-链霉素和0.25%胰蛋白酶-EDTA购自Gibco。二氯二氢荧光素二乙酸酯，Alamar Blue和5-羧基荧光素二乙酸酯甲酯购自Invitrogen。普通聚苯乙烯Polybead微球，以及羧基化微纳塑料...

微纳塑料表征

所有微纳塑料的水动力学尺寸，zeta电位和多分散指数通过动态光散射在Milli-Q水、无血清培养基和完全培养基中测定。总体而言，颗粒行为强烈依赖培养基。对于普通微塑料和纳塑料，水动力学直径从水到完全培养基逐渐增加，与增强的颗粒相互作用一致，包括聚集和/或...

讨论

基于我们之前关于普通聚苯乙烯微塑料和纳塑料在ZFL细胞中的工作，本研究主要检查表面功能化是否改变早期细胞和脂质组学反应。紫外线处理颗粒作为补充部分纳入，限于动态光散射表征、细胞活性和活性氧形成。结果表明，颗粒特性，特别是表面化学和与尺寸相关的颗粒属性，强烈影响...

CRediT作者贡献声明

Cinta Porte：写作-审阅与编辑，监督，资金获取，概念化。Tiantian Wang：方法论，形式分析。Mahboubeh Hosseinzadeh：写作-审阅与编辑，数据整理。Gemma Lopez Llao：写作-初稿，方法论，调查...

未引用参考文献

Okoffo and Thomas, 2024.

声明使用生成式AI和AI辅助技术在手稿准备过程中

在准备和修改本工作期间，作者使用Microsoft Copilot改进语言、可读性和清晰度。作者随后审阅和编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明没有已知的相互竞争的财务利益或个人关系可能影响本文报道的工作。

致谢

本工作由项目PID2021-122592NB-I00资助。

Gemma Lopez Llao|Tiantian Wang|Mahboubeh Hosseinzadeh|Cinta Porte