《Ecosystem Services》：Polystyrene nanoplastics induce mitochondrial dysfunction and stress responses in human PBMCs
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塑料持续碎裂成微塑料(microplastics, MPs)和纳米塑料(nanoplastics, NPs)，这些被视为日益受到全球关注的新兴环境污染物。人类通过空气、食物和水接触纳米塑料正变得不可避免；然而，它们对人工免疫细胞的直接影响仍知之甚少。由于尺寸小
塑料持续碎裂成微塑料(microplastics, MPs)和纳米塑料(nanoplastics, NPs)，这些被视为日益受到全球关注的新兴环境污染物。人类通过空气、食物和水接触纳米塑料正变得不可避免；然而，它们对人工免疫细胞的直接影响仍知之甚少。由于尺寸小，NPs可进入循环系统并直接与免疫细胞相互作用，但其在人类中的细胞效应仍不清楚。在本研究中，研究人员采用整合成像、线粒体应激测试、嗜碱性粒细胞激活试验( basophil activation test, BAT)和单细胞RNA测序(Single-cell RNA sequencing, scRNA-seq)的方法，研究了聚苯乙烯(polystyrene, PS) NPs对人工外周血单个核细胞(peripheral blood mononuclear cells, PBMCs)的影响。共聚焦显微镜确认了25纳米NPs在细胞质内的有效内化。光学衍射断层扫描(optical diffraction tomography, ODT)显示，即使短期（1小时）暴露也能诱导显著的生物物理重塑，包括细胞体积和干质量减少，同时细胞内密度和折射率增加。Seahorse代谢分析表明，主要免疫亚群中的线粒体呼吸受到显著抑制，表现为基础呼吸和最大呼吸、ATP(adenosine triphosphate)相关耗氧率以及备用呼吸容量下降。嗜碱性粒细胞激活未受NP暴露影响。单细胞转录组学鉴定出一个独特的NP诱导的“应激细胞”群体，其特征是热休克蛋白(heat-shock proteins, HSP)和蛋白质稳态(proteostasis)途径上调，同时线粒体编码转录本下调。综合来看，这些数据表明NPs迅速破坏线粒体功能并激活人工免疫细胞中的蛋白质毒性应激程序。通过将这些机制置于“一个健康(One Health)”框架（人类、动物和地球健康）内，研究人员的发现揭示了环境纳米塑料污染如何可能转化为免疫失调，并为综合环境-公共卫生风险评估提供信息。
**研究背景与意义**
塑料在环境中持续碎裂，产生微塑料（microplastics, MPs）和纳米塑料（nanoplastics, NPs），这些被视为新兴的环境污染物，可能对人类健康产生潜在影响。MPs和NPs在空气、食物和饮用水中的检出日益增多，使得人类通过吸入、摄入和皮肤接触的暴露几乎不可避免。NPs通常定义为粒径<100 nm的聚合物颗粒，它们能通过吸入、摄入和皮肤途径进入人体，并可能到达血液和内脏器官。已有研究在人类血液中检测到塑料颗粒，然而，由于检测和定量技术上的重大局限，人类循环系统中纳米级塑料颗粒的确切浓度、生物分布和生物利用度仍不充分。实验研究表明，NPs能被免疫细胞内化，干扰膜完整性，并改变细胞内信号通路。鉴于塑料颗粒污染空气、食物和水的证据日益增多，阐明它们对人类免疫功能的影响对于综合环境-健康风险评估至关重要。目前存在的主要问题是：尽管对微塑料和纳米塑料的免疫毒性效应日益关注，但它们对人类PBMCs细胞组分的影响，特别是在单细胞水平上的影响，仍缺乏特征描述。因此，开展这项研究旨在结合多种互补方法，刻画聚苯乙烯（polystyrene, PS）NPs（直径25 nm）对人PBMCs的早期线粒体和应激相关转录反应。该研究发表在《Ecosystem Services》。
**关键技术方法概述**
研究人员使用15名成人志愿者（包括尘螨过敏者）的外周血样本，通过密度梯度离心分离PBMCs。主要技术方法包括：①共聚焦显微镜定性观察荧光标记NPs在B细胞内的内化；②光学衍射断层扫描定量分析细胞生物物理参数（干质量、体积、折射率等）；③Seahorse XF HS Mini Analyzer结合Mito Stress Test试剂盒测量线粒体耗氧率（oxygen consumption rate, OCR）；④流式细胞术进行嗜碱性粒细胞激活试验，检测CD63上调；⑤ScaleBio单细胞组合索引平台构建单细胞RNA测序文库，在Illumina NovaSeq 6000上测序，数据用Seurat v5.2.1分析。
**研究结果**
**3.1 光学衍射断层扫描评估细胞生物物理特性**
通过ODT对5个独立供体的PBMCs进行成像，发现25 nm NPs暴露1小时后，细胞干质量显著减少（p<0.01），细胞体积、投影面积和表面积均显著降低（p<0.0001），而球形度增加（p<0.0001），质量浓度和平均折射率显著升高（p<0.0001）。这表明细胞收缩并变得致密，体现早期应激反应。
**3.2 共聚焦成像**
共聚焦显微镜显示，红色荧光标记的25 nm NPs在暴露24小时后主要积累于B细胞细胞质中，细胞核未见共定位，证实了有效内化且保持细胞结构完整。
**3.3 线粒体活性**
Seahorse分析表明，NPs急性暴露1小时显著抑制总PBMCs以及CD4
+T细胞、CD8
+T细胞、B细胞、单核细胞和嗜碱性粒细胞的线粒体呼吸：基础呼吸、ATP相关呼吸、最大呼吸和备用呼吸容量均降低（p<0.05至p<0.0001）；非线粒体呼吸相对稳定，表明NPs主要靶向线粒体氧化磷酸化过程。
**3.4 嗜碱性粒细胞激活试验**
在尘螨过敏和非过敏供体的全血中，NPs（25 nm）与过敏原共同孵育并未显著改变过敏供体的CD63上调水平，也未诱导非过敏供体的激活，提示急性NP暴露在短期内不增强IgE依赖的嗜碱性粒细胞反应。
**3.5 单细胞分析**
单细胞转录组UMAP降维显示，主要免疫细胞类型（T细胞、B细胞、NK细胞、单核细胞等）在两样本中均存在，但在NP处理组出现一个独特的“应激细胞”群体。GO富集分析显示该群体显著富集蛋白质折叠、分子伴侣介导的折叠以及热休克/未折叠蛋白反应通路。对热休克和线粒体基因集的表达分析表明，HSP家族基因（如HSPA1A、HSPA1B等）仅在“应激细胞”中显著上调，而线粒体编码基因（MT-ND、MT-CO等）在所有细胞群中普遍下调，特别是应激细胞中降幅最大。全基因组差异表达分析（Wilcoxon秩和检验，FDR<0.05）发现，上调基因富集于蛋白质再折叠、分子伴侣介导折叠及TNF信号通路；下调基因富集于白细胞脱颗粒、NK细胞介导的细胞毒性和钙依赖性激活通路，最显著下调的基因包括XAF1、C1orf21和GAS7。
**总结讨论与结论**
讨论部分指出，NPs的细胞质内化与既往研究一致，通过内吞/内溶酶体途径转运。ODT数据揭示的细胞收缩和质量致密化是早期应激相关细胞毒性反应，而非被动变化，与二氧化硅纳米颗粒诱导的凋亡重塑报道相似。Seahorse与单细胞数据共同证明，NPs同时抑制线粒体呼吸功能并激活分子伴侣驱动的蛋白质稳态响应，而嗜碱性粒细胞不受影响表明短期暴露不影响特异性过敏效应通路。应激细胞的出现具有“One Health”框架意义——环境污染通过线粒体功能障碍和免疫状态扰动机制转化为人类健康风险。研究结论翻译如下：
总之，急性暴露于25 nm NPs诱导人工PBMCs显著的生物物理、代谢和转录组变化。这些变化包括细胞尺寸减小和细胞内密度增加、线粒体呼吸抑制、备用呼吸容量和ATP相关呼吸降低、单核细胞比例升高，以及一个独特的应激细胞群的出现，该群体以热休克和蛋白质稳态途径激活为特征。这种协调性转变提示，在抑制正常线粒体活性的同时，激活了生存导向的细胞应激程序。通过整合全息断层扫描、Seahorse代谢分析和单细胞RNA测序，本研究提供了早期纳米塑料诱导的初级人工免疫细胞应激反应的多模态特征。这些发现为NPs在急性暴露条件下如何破坏人工免疫细胞中线粒体生物能量学和应激相关转录程序提供了机制见解，支持了纳米塑料污染在“One Health”框架中的相关性。
