可生物降解微塑料暴露下牡蛎黏液纤毛-体液免疫界面的剂量依赖性重编程

《Environmental Pollution》：Dose-specific reprogramming of the mucociliary-humoral immune interface in oysters upon biodegradable microplastics exposure

　　

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  scRNA-seq 揭示了对 PLA 微塑料产生反应的黏液纤毛 - 体液免疫轴。
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  低剂量 PLA 触发黏液和纤毛细胞中的理化界面适应。
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  高剂量 PLA 诱导上皮和免疫状态的颗粒负荷重塑。
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  体液免疫细胞是对 PLA 胁迫最敏感的免疫响应者。
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  半乳糖凝集素和 CADM 通讯网络连接黏液、上皮和免疫状态，以调节 PLA 诱导的界面重塑。

引言

塑料污染已成为水生生态系统的持续性威胁，环境风化可将较大的塑料碎片分解为微塑料（MPs，直径 < 5 毫米），这些微塑料随后成为海洋生物的可用资源，并可能通过摄食和营养级转移进入水生食物网 (Filiciotto 和 Rothenberg, 2021; Thompson 等，2024)。由于接收大量的河流输入、城市径流、水产养殖排放以及陆地来源颗粒的潮汐滞留，河口和沿海水域特别容易受到微塑料积聚的影响 (Mendes 等，2024; Zhao 等，2015)。为了减少传统石油基塑料的长期持久性，可生物降解和生物基聚合物被越来越多地开发和使用作为替代材料。聚乳酸 (PLA) 是最广泛使用的可生物降解塑料之一，因为其可再生来源、有利的机械强度、透明度和可加工性 (Taib 等，2023)。PLA 降解通常始于酯键的水解，随后形成低分子量低聚物或乳酸相关产品，在适当条件下，这些产品可被微生物进一步同化和矿化为 CO₂、H₂O 和微生物生物量 (Filiciotto 和 Rothenberg, 2021)。最近的研究表明，PLA 微塑料在海洋生物中诱导的生理和分子反应与传统塑料引起的反应相当，且环境老化可能进一步改变其生态效应 (Bergmann 等，2023; Luangrath 等，2024; Zhong 等，2024)。因此，不应简单地将 PLA 微塑料视为传统塑料的环境惰性替代品，其对海洋动物的生物效应需要进一步调查。

海洋双壳类，特别是通常栖息在河口环境中的固着底栖物种（如牡蛎），由于连续过滤大量海水并保留自然食物大小范围内的颗粒，高度暴露于悬浮微塑料中 (Ding 等，2021; Zhong 等，2024)。在双壳类组织中，鳃是直接接触悬浮颗粒的第一个界面，在颗粒捕获、分选、黏液纤毛运输、气体交换和一线免疫防御中发挥重要作用 (Cannuel 和 Beninger, 2006; Li 等，2017; Riisg?rd 和 Larsen, 2026)。以往关于传统微塑料的研究表明，塑料颗粒暴露损害了海洋双壳类的摄食活性，破坏了代谢和能量分配，诱导了氧化应激，改变了免疫功能，并造成了组织损伤 (Ma 和 Wang, 2026)。研究还表明，PLA 微塑料在水生生物中诱导了不良反应，包括氧化应激、线粒体功能障碍、凋亡相关效应、免疫干扰和代谢改变 (De Felice 等，2024; Zhang 等，2024; Zhang 等，2021)。在发育中的斑马鱼中，光解降解的 PLA 微塑料通过触发行粒体功能障碍和凋亡增强了毒性 (Zhang 等，2024)。在海洋贻贝中，PLA 微塑料产生的毒性作用与传统石油基聚苯乙烯微塑料相当，且环境老化可能进一步修改或增强其生态毒理学效应 (Zhong 等，2024)。

理解 PLA 微塑料毒性的一个主要挑战是牡蛎鳃的高细胞异质性。传统毒理学方法通常将鳃组织视为相对均质的分析单元，从而忽略了组织水平损伤、生化变化或群体平均转录谱的复杂多细胞反应。单细胞 RNA 测序 (scRNA-seq) 提供了一个框架来克服这一局限性，即在完整组织的细胞架构中解析毒理学反应，而不是依赖于组织整体平均值或培养细胞模型 (Kolodziejczyk 等，2015)。最近的牡蛎鳃单细胞研究揭示了颗粒处理、上皮维护和免疫防御背后的复杂细胞组织，为对环境胁迫因子的细胞类型特异性反应提供了生物学基础 (Chen 和 Wang, 2026; Ma 和 Wang, 2026)。因此，将 scRNA-seq 应用于 PLA 暴露的牡蛎鳃可能提供重要信息，用于确定可生物降解微塑料如何扰乱这一界面的组织，并区分传统组织水平分析无法解析的细胞群体特异性反应。

本研究在单细胞分辨率水平上表征了香港牡蛎 (Crassostrea hongkongensis) 鳃对 PLA 微塑料暴露的细胞反应。分析揭示了细胞类型特异性敏感性和转录重编程的显著异质性，并进一步确定了不同细胞区室间细胞间通讯的剂量依赖性改变。这些发现提供了机制见解，说明了可生物降解 PLA 微塑料如何破坏牡蛎鳃整合的黏液纤毛 - 免疫界面，并建立了评估河口双壳类中可生物降解微塑料生态风险的细胞基础。

章节摘要

PLA-MPs 的制备与表征

本研究中使用的聚乳酸微塑料颗粒 (PLA-MPs, 3μm) 购自江苏知川有限公司。在暴露实验之前，PLA-MPs 在紫外光下照射 7 天以产生老化 PLA-MPs，从而模拟环境相关的光老化过程。在暴露之前，将老化的 PLA-MPs 悬浮在新鲜过滤的天然海水中，以制备浓缩母液。通过涡旋充分混合悬浮液并

PLA-MPs 的表征及组织病理学观察

为了确定暴露颗粒的化学身份和形态特征，原始和老化 PLA-MPs 首先通过 FTIR 和 SEM 进行表征。FTIR 光谱显示了 PLA 的典型吸收特征，包括 3000 cm^-1 附近的 C-H/C-H₃ 伸缩振动，1750 cm^-1 附近强的酯羰基 C=O 伸缩带，以及 1000 - 1200 cm^-1 区域内的 C-O 相关吸收带 (图 1A)。这些峰的分布与以前的 FTIR 研究一致

结论

本研究证明，短期 PLA-MPs 暴露重组了一条涉及黏液、纤毛和体液免疫细胞的连续颗粒处理途径。在低剂量下，在主要的黏液细胞扩张之前发生了广泛的转录适应，并伴随有运动纤毛补偿、离子细胞相关的界面协调以及残余体液包被功能。在高剂量下，这种补偿状态让位于增加的糖蛋白加工和蛋白质稳态

CRediT 作者贡献声明

Wen-Xiong Wang: 写作 - 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。Yi Xiang: 写作 - 原稿，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本文报道的工作。

致谢

我们感谢匿名审稿人的有益评论。本研究由香港研究资助局一般研究基金 (11104724, 11103426) 和 国家自然科学基金 (42430709) 资助。W.-X. Wang 获得香港研究资助局 5 年高级研究奖学金 (SRFS2425-1S06) 支持。

Yi Xiang|Wen-Xiong Wang