脑代谢组学揭示了与黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）中慢性聚苯乙烯微塑料诱导的神经毒性相关的代谢变化

《NeuroToxicology》：Brain metabolomics reveals metabolic alterations associated with chronic polystyrene microplastic-induced neurotoxicity in Drosophila melanogaster

　　•脑代谢组学发现了与长期暴露于聚苯乙烯微塑料有关的广泛代谢紊乱现象，这些现象发生在果蝇中。
•聚苯乙烯微塑料与氨基酸、多胺、犬尿喹啉和中性碳代谢的改变有关，同时还伴随着氧化应激和线粒体损伤。
•长期暴露于微塑料与多巴胺能系统损伤、神经元损伤以及神经行为缺陷相关。

**引言**
塑料的广泛使用导致了其在环境中的持续累积，这引发了对其长期生态和健康影响的重大担忧（Geyer等人，2025年）。自20世纪中叶以来，全球生产的塑料数量不断增加——如今每年超过4亿吨。据预测，到2050年，环境中将有两千亿吨塑料垃圾（Geyer等人，2017年7月）。如今，稳定的塑料颗粒已经遍布所有环境领域，从土壤和沉积物到海洋和大气层。由于紫外线辐射、风化作用和生物降解作用，塑料垃圾逐渐分解成为微塑料（MPs，直径0.1微米至5毫米）。越来越多的人认识到微塑料是持久的、具有生物活性的污染物（Wieland等人，2024年）。环境中的微塑料主要包含聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯、聚丙烯和聚乙烯。聚苯乙烯是一种单次使用的塑料，最常见于消费品、绝缘材料和包装中，是微塑料的主要来源。聚苯乙烯的单体——苯乙烯，是一种有害物质，具有神经毒性，这引发了关于源自聚苯乙烯的微塑料对健康影响的质疑（Norte等人，2026年）。
人类暴露于微塑料现在被认为是不可避免的。最新估计表明，人们可能每周通过受污染的食物和水摄入多达5克的微塑料。长期暴露还可能通过吸入和皮肤接触发生（Hernandez等人，2019年；Kosuth等人，2018年）。在人类血液、胎盘、母乳、肺组织和脑脊液中都发现了微塑料，这表明它们能够穿透生物屏障并在重要器官中积累（Harvey等人，2023年；de Wit和Bigaud，2019年；Leslie等人，2022年）。最近的研究表明，通过热解质谱和成像技术发现，人脑组织中的微塑料含量几乎是肝脏和肾脏的30倍，这确立了大脑是微塑料沉积的主要目标器官（Nihart等人，2025年）。
尽管这种暴露无处不在，世界卫生组织（WHO）在2019年仍得出结论认为微塑料对人类健康的“即时风险较低”，但这一结论是基于有限的数据得出的（da Costa Araújo和Malafaia，2021年；Hossain等人，2020年）。然而，越来越多的实验证据表明，微塑料可以穿过上皮细胞和内皮细胞屏障，并在代谢活跃的组织中积累，如肝脏、大脑（Deng等人，2017年；Lin等人，2019年）、肾脏（Meng等人，2022年）、肠道（Jin等人，2022年）和生殖器官（Amereh等人，2020年；Montero等人，2023年）。这些结果强烈质疑了微塑料通过食物链长期暴露对环境和人类健康的影响。
在与微塑料相关的毒理学效应中，神经毒性已成为一个重要的问题。基础研究显示，微塑料会破坏神经网络稳定性、突触传递和神经元生长（Prüst等人，2020年）。虽然中枢神经系统对环境危害更为敏感，但它对调控全身代谢至关重要。多项研究表明，颗粒物暴露会对神经系统造成损害（Bartsch和Wulff，2015年）。
在脊椎动物模型上进行的研究表明，长期暴露于微塑料会损害神经发育、改变神经递质平衡并引发行为异常（Schirinzi等人，2017年；Nihart等人，2025年）。有报道指出微塑料可以穿越血脑屏障并在脑组织中积累。实验研究将微塑料暴露与炎症、氧化应激、免疫失调和能量代谢改变联系起来（Santos等人，2022年；Rafiee等人，2018年；Araújo和Malafaia，2020年）。
在基于组学的方法中，脂质组学为微塑料相关的脑脂质重塑提供了重要见解。然而，关于微塑料对大脑中极性代谢物和中性碳代谢的影响知之甚少，这在理解大脑对长期暴露的特异性代谢反应方面存在重要空白。最近的脂质组学研究显示，微塑料暴露后脂质发生了显著重塑，包括心磷脂、鞘脂和中性脂质的变化。这些变化与氧化应激、线粒体功能障碍和脂质滴积累有关。组织分辨率的脂质组学分析进一步表明，由于大脑富含脂质且能量需求高，因此它对微塑料暴露高度敏感（Rathor等人，2026a；Rathor等人，2026b）。在果蝇模型中，长期暴露于微塑料已被证明会引发线粒体氧化还原失衡、多巴胺耗尽、运动行为受损以及与广泛脑脂质重塑相关的神经毒性变化（Rathor等人，2026a）。尽管取得了这些进展，但微塑料暴露如何影响大脑代谢以及其与线粒体和神经行为改变之间的关系仍不完全清楚。
近年来代谢组学的进展使得能够在系统水平上研究环境毒素，通过识别小分子代谢的全球变化。代谢组是毒素暴露压力的敏感指标，因为它直接反映了细胞的能量状态、氧化还原平衡和生物合成活性（CH等人，2024a）。基于代谢组学的研究表明，微塑料会扰乱啮齿动物的胆汁酸代谢和器官间转移毒性，暗示了复杂的多器官代谢轴，例如肠道-肝脏-乳腺轴（Wang等人，2025a）。其他报告描述了微塑料暴露后的组织特异性代谢和生化紊乱（Barrozo等人，2024年；Garcia等人，2024a；Garcia等人，2024b）。在各种动物模型中进行的代谢组学研究一致报告了暴露于聚苯乙烯微塑料后脂质、氨基酸、葡萄糖和能量代谢的改变。然而，大多数先前的研究集中在外周组织或单个毒理学终点上，而对长期微塑料暴露的大脑特异性代谢反应了解仍然不足。特别是在同一实验模型中整合脑代谢组学与线粒体、神经化学和行为终点的研究特别有限。特别是，氨基酸、多胺、犬尿喹啉和中性碳代谢的变化与神经毒性结果之间的关系尚未得到充分研究。相关研究和现有文献中的主要方法学空白在表S1–S3中进行了总结。
由于代谢物紊乱本身可能无法完全解释生物体水平的神经毒性，本研究将脑代谢组学与生理、生化、线粒体和行为参数相结合，以探讨代谢功能障碍与神经毒性结果之间的关联。
线粒体对ATP的产生、氧化还原平衡和代谢整合至关重要。严格调控的能量代谢对神经元的生存和功能至关重要。越来越多的证据表明，大脑代谢平衡的改变在神经系统疾病的发病机制中起着关键作用，这突显了代谢调节在保持大脑健康和神经元活动中的重要性（Rathor和Ch，2024年）。像帕金森病（PD）这样的神经退行性疾病的特点是线粒体活性和中性碳代谢（特别是三羧酸循环）的紊乱。线粒体功能障碍和中性碳代谢的改变是几种神经退行性疾病的共同特征。除了经典的生物能量途径外，氮代谢在调节神经元能量平衡、线粒体功能和氧化应激中的作用也越来越受到关注。多胺如精胺、亚精胺和腐胺对于细胞平衡是必需的，但多胺的失调已被认为是神经退行性疾病中线粒体功能障碍、氧化还原信号改变和多巴胺能系统脆弱性的原因（CH和Rathor，2024年）。
多胺途径通过共同的代谢中间体与中性碳和氮代谢紧密相连。因此，多胺平衡可能伴随着细胞能量和氮代谢的改变而失衡。这种协调代谢网络的破坏可能会影响细胞能量平衡、氧化还原平衡和神经元功能。然而，长期暴露于微塑料是否与这些相互关联的代谢途径的改变有关仍不清楚。
黑腹果蝇提供了一种基因上易于操作且实验可重复的体内模型，用于研究神经毒性和代谢反应。重要的是，果蝇的神经系统具有由周围神经胶质层和亚周围神经胶质层形成的功能性血脑屏障。尽管其分子和结构组织与哺乳动物的血脑屏障不同，但它提供了调节循环分子进入神经系统的重要生理界面。因此，在果蝇中观察到的代谢变化应被视为模型特异性反应，不能直接外推到人类。在本研究中，我们使用黑腹果蝇作为体内模型，探讨长期暴露于聚苯乙烯微塑料是否与大脑代谢的变化有关，特别是多胺和中性碳代谢的变化，以及相关的神经毒性结果。为了解决这个问题，我们将行为分析与非靶向脑代谢组学、氧化应激测量、线粒体功能评估、组织学分析和神经化学评估相结合。

**化学品和试剂**
聚苯乙烯微塑料来自Nanocell India。乙腈、甲醇和醋酸铵从Fisher Scientific（美国）购买。超纯去离子水（DIW）使用Millipore水纯化系统（EMD Millipore，Billerica，MA，美国）制备，以去除潜在污染物并确保数据的可靠性。衍生化试剂（MSTFA和吡啶）从Sigma购买。磷酸盐缓冲盐水（PBS）用于样品处理和生化测定。

**聚苯乙烯微塑料的物理化学特性**
在体内实验之前，对聚苯乙烯微塑料的物理化学性质进行了彻底的表征，以确保暴露模型的可重复性和环境相关性。扫描电子显微镜（SEM）成像显示，这些颗粒呈球形或不规则形状，表面略微粗糙，表明它们是二次制造过程中产生的微塑料。颗粒大小范围为83.5至123.1微米（图S1A）。傅里叶变换红外光谱（FT-NIR）化学指纹鉴定进一步确认了聚苯乙烯微塑料的身份和纯度（图S1B）。

**讨论**
微塑料是普遍存在的环境污染物，越来越多的证据表明人类通过摄入和吸入长期暴露于微塑料。最近，在人类血液、胎盘、肺组织和脑脊液中都发现了微塑料。这使得微塑料能够穿透生物屏障并到达中枢神经系统等敏感器官（Leslie等人，2022年；Ragusa等人，2022年；Ragusa等人，2021年）。尽管如此，微塑料如何影响大脑代谢和神经功能尚不清楚。

**结论**
长期暴露于聚苯乙烯微塑料与黑腹果蝇的神经毒性效应有关，表现为大脑代谢、细胞应激反应和神经元标志物的协调变化。综合代谢组学分析揭示了多胺、氨基酸和中性碳代谢的改变，包括糖酵解和三羧酸循环中间体的变化。这些代谢变化与氧化应激增加、抗氧化酶活性下降以及氧化应激的证据相关。

**环境影响**
微塑料是广泛存在的环境污染物，导致生态系统中的长期低剂量暴露。在本研究中，长期暴露于聚苯乙烯微塑料与黑腹果蝇的大脑代谢变化、氧化应激和线粒体损伤有关。这些变化伴随着神经行为和神经化学变化，表明大脑代谢可能是微塑料暴露的敏感目标。

**伦理声明**
本研究遵循ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南进行。无需伦理委员会批准。本研究仅使用野生型黑腹果蝇（一种无脊椎动物模型）进行，因此无需机构动物伦理委员会的批准。

**资金声明**
本研究得到了印度医学研究委员会（ICMR）和DBT-RLS的支持，资助编号为：Ref.No. BT/RLF/Re-entry/2020。

**未引用的参考文献**
Barboza等人（2018年）；（Chassain等人，2022年）；（Jodeiri Farshbaf，2017年）；（Mischley等人，2023年）；（LeWitt等人，2025年）

**作者贡献声明**
Priya Rathor：撰写——原始草稿、方法学、正式分析。
CH Ratnasekhar：撰写——原始草稿、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念化。
Naitik Gupta：验证、方法学、正式分析。
Ashutosh K. Tiwari：撰写——原始草稿、方法学、正式分析、数据管理。

**利益冲突声明**
无利益冲突。

**数据存储链接**
https://www.ebi.ac.uk/metabolights/reviewerfe6da3db-0e13-4be3-b708-61a0aff292b0（访问令牌：mtbls_91e09b17-4204-42bd-9a2d-135bb77ba222）
https://www.ebi.ac.uk/metabolights/MTBLS14429

**致谢**
Ratnasekhar CH感谢科学和工程研究委员会（DST，资助编号：SRG/2021/000750-G）以及印度政府生物技术部的Ramalingaswami Re-entry Fellowship（BT-RLF-Reentry-21-2020）的资助支持。我们衷心感谢CSIR-CIMAP的高通量仪器设施提供的分析支持。Priya Rathor获得了UGC-SRF奖学金的支持，Ashutosh Kumar Tiwari得到了CSIR的支持。

**作者名单**
Priya Rathor | Ashutosh K. Tiwari | Naitik Gupta | CH Ratnasekhar