《Environment & Health》：When Plastic Particles Hit the Nose: Metabolic Responses to Nanoplastics, Microplastics, and Their Mixtures in Normal Human Nasal Epithelial Cells
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空气中的微塑料和纳米塑料（micro- and nanoplastics, MNPs）是新兴的吸入性污染物，然而它们对首个气道屏障——鼻上皮（nasal epithelium）的影响仍知之甚少。研究人员采用超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱（ultrahigh
空气中的微塑料和纳米塑料（micro- and nanoplastics, MNPs）是新兴的吸入性污染物，然而它们对首个气道屏障——鼻上皮（nasal epithelium）的影响仍知之甚少。研究人员采用超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱（ultrahigh-performance liquid chromatography coupled with quadrupole time-of-flight mass spectrometry, UHPLC-QTOFMS）对细胞和分泌组（secretome）进行全面的代谢组学（metabolomics）和脂质组学（lipidomics）分析，研究了暴露于聚苯乙烯纳米塑料（polystyrene nanoplastics, 100 nm）、微塑料（microplastics, 7 μm）或其混合物（mixture）的正常人类鼻上皮细胞（normal human nasal epithelial cells）的代谢反应。纳米塑料诱导了最强的细胞内扰动，其特征是氨基酸和嘌呤相关代谢物增加，包括同型胱氨酸（homocystine）、尿酸（uric acid）、天冬氨酸（aspartic acid）和谷氨酸（glutamic acid），同时膜脂质（特别是磷脂酰胆碱（phosphatidylcholines））显著耗竭。颗粒混合物产生了部分重叠但总体减弱的反应，而单独的微塑料则引起相对适度的变化。这种减弱与颗粒表征一致，显示纳米塑料部分吸附到微塑料上，从而减少了混合物中自由分散的纳米塑料部分。分泌组分析揭示了独特的细胞外代谢指纹图谱，纳米塑料和混合物增加了与氧化应激（oxidative stress）、氨基酸转换和解毒相关的代谢物，同时减少了几种膜衍生脂质。通路富集分析（pathway enrichment analysis）突出了碳水化合物代谢（carbohydrate metabolism）、甘油磷脂代谢（glycerophospholipid metabolism）、磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway）以及氨基酸和核苷酸代谢（amino acid and nucleotide metabolism）的扰动。总的来说，这些发现将正常人类鼻上皮细胞确定为塑料颗粒暴露的代谢敏感靶点，并表明纳米塑料是体外观察到的气道界面代谢扰动的主要驱动因素。
**论文解读文章**
**研究背景**
微塑料（microplastics, MPs）和纳米塑料（nanoplastics, NPs）是环境中广泛存在的持久性污染物，已在水、土壤和空气中被检出。吸入是其进入人体的重要途径，而鼻腔作为呼吸系统的首要门户，鼻上皮（nasal epithelium）构成首个气道屏障。尽管已有研究初步探索了塑料颗粒对鼻上皮细胞的影响，如氧化应激、线粒体功能障碍和炎症通路激活，但关于人类鼻上皮细胞在暴露于不同尺寸塑料颗粒及其混合物后的全面代谢反应仍知之甚少。此外，实际人体暴露往往涉及多种尺寸的颗粒，而现有研究多集中于单一尺寸颗粒，混合暴露的代谢效应尚不明确。为此，研究人员开展了这项研究，旨在揭示聚苯乙烯纳米塑料（100 nm）、微塑料（7 μm）及其混合物对正常人类鼻上皮细胞（normal human nasal epithelial cells）的代谢组学和脂质组学影响，以阐明尺寸依赖性和混合暴露的代谢扰动机制。该研究发表在《Environment》。
**技术方法**
研究人员使用正常人类鼻上皮细胞（HNEpC，来自PromoCell，单供体来源：72岁男性）作为模型。主要关键方法包括：颗粒表征（场发射扫描电子显微镜FE-SEM、动态光散射DLS、纳米颗粒追踪分析NTA、电泳光散射测Zeta电位）；暴露设计（NPs 100 μg/mL、MPs 100 μg/mL、混合物MNP 200 μg/mL，暴露72小时）；代谢组学和脂质组学分析（对细胞提取物和分泌组进行超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱UHPLC-QTOFMS分析，覆盖极性和半极性代谢物及脂质）；数据预处理（MZmine 4.5.0）；统计分析（偏最小二乘判别分析PLS-DA、方差分析ANOVA、t检验，阈值|FC|≥1.25，p<0.05）；通路富集分析（Mummichog和基因集富集分析GSEA，参考人类代谢网络和KEGG通路）。
**研究结果**
**3.1 颗粒表征与人类鼻细胞及分泌组的全局代谢组学/脂质组学分析**
FE-SEM显示，在混合物中，纳米塑料（~100 nm）吸附在微塑料（~7 μm）表面，形成共聚集体，NTA分析进一步证实混合后自由分散的NP浓度减少超过50%。DLS显示NP在培养基中水动力学直径增大，Zeta电位接近中性，MP快速沉降。全局代谢组学和脂质组学分析显示，NP暴露导致细胞内极性代谢物变化最显著（93个增加，49个减少），脂质减少（21个下降），MP变化较小，混合物（MNP）引起最广泛的脂质扰动（32个下降）。PLS-DA显示，细胞样本中MP和NP部分重叠，MNP分离更大；分泌组中各组清晰分离，MNP分离最大。
**3.2 人类鼻细胞中改变代谢物和脂质的鉴定**
NP暴露显著增加氨基酸和嘌呤代谢物，如同型胱氨酸（FC=4.44）、尿酸（FC=15.35）、天冬氨酸（FC=2.45）、谷氨酸（FC=1.87），以及碳水化合物氧化产物半乳糖酸（FC=3.57）和葡萄糖酸（FC=3.71）；脂质组中鞘磷脂SM(d32:1)（FC=0.018）和多种磷脂酰胆碱如PC(36:4)（FC=0.0069）显著减少。MP暴露仅改变少数代谢物，如壬酸（FC=1.25）和尿苷三磷酸（FC=1.33）增加。MNP暴露产生中间代谢反应，与NP重叠的代谢物包括同型胱氨酸（FC=2.64）和尿酸（FC=3.35），另有甘油肉豆蔻酸酯（FC=2.07）增加，γ-亚麻酸酯（FC=0.25）减少。这些结果表明NP是细胞内代谢扰动的主要驱动因素，涉及氨基酸周转、嘌呤代谢、氧化应激和膜脂重塑。
**3.3 人类鼻细胞分泌组中改变代谢物和脂质的鉴定**
NP暴露下，分泌组中同型胱氨酸（FC=2.99）、尿酸（FC=5.38）和苏糖酸（FC=2.16）显著增加，而多种脂质如PC(16:0/16:1)（FC=0.25）和SM(d42:2)（FC=0.41）减少。MP暴露导致3-甲基组胺（FC=2.38）和D-葡萄糖醛酸（FC=2.62）增加，膜脂PC(16:0/16:1)减少（FC=0.34），LPC(22:6)增加（FC=3.35）。MNP暴露下，同型胱氨酸（FC=2.22）和尿酸（FC=2.48）增加，氢化肉桂酸（FC=2.70）和戊二酸（FC=4.30）增加，脂质PC(O-34:3)（FC=0.15）和SM(d32:1)（FC=0.12）减少。分泌组变化与细胞内扰动一致，反映协调的代谢重编程和膜重塑。
**3.4 颗粒诱导代谢变化的通路富集分析**
NP暴露显著富集淀粉和蔗糖代谢、果糖和甘露糖代谢、乙醛酸和二羧酸代谢、甘油磷脂代谢、磷酸戊糖途径和D-葡萄糖醛酸代谢。MP暴露仅富集半乳糖代谢和磷酸戊糖途径（p<0.05）。MNP暴露富集β-丙氨酸代谢、谷氨酸代谢、甘氨酸-丝氨酸-苏氨酸代谢、组氨酸降解、嘧啶代谢、磷酸戊糖途径、乙醛酸和二羧酸代谢、甘油磷脂代谢和谷氨酸代谢。部分通路与NP重叠，组氨酸降解和嘧啶代谢具有特异性。磷酸戊糖途径的富集表明氧化应激和代谢应激反应，甘油磷脂代谢的富集与膜脂耗竭一致。NP暴露诱导最强扰动，MNP混合暴露的反应减弱，可能与NP吸附到MP表面减少自由NP有关。
**3.5 讨论与总结**
讨论部分指出，鼻上皮代谢稳态的破坏可影响黏膜防御、炎症信号和屏障功能，与过敏性鼻炎、哮喘等呼吸疾病相关。本研究发现塑料颗粒暴露引起氨基酸、嘌呤、膜脂和多种代谢通路的变化，与既往研究（如NP诱导ROS、线粒体功能障碍、转录组炎症激活）一致。此外，新兴临床观察发现塑料颗粒水平在过敏性鼻炎患者中升高，并与慢性鼻窦炎相关。研究强调，尽管暴露浓度（100 μg/mL）为高剂量测试水平，不直接代表环境暴露，但揭示了代谢通路作为潜在作用靶点。未来需采用剂量-反应、重复低剂量暴露、多供体及更真实暴露模式的研究。
**研究结论**
这项研究表明，正常人类鼻上皮细胞对聚苯乙烯微塑料和纳米塑料暴露具有代谢反应。纳米塑料产生最强的细胞内效应，包括氨基酸和嘌呤代谢改变以及膜相关脂质的显著耗竭，而微塑料仅引起相对适度的变化。混合暴露产生部分重叠但总体减弱的代谢反应，这与纳米塑料吸附到微塑料表面导致自由分散纳米塑料减少一致。分泌组分析进一步揭示了独特的细胞外代谢指纹图谱，突出了与氧化应激、氨基酸周转、解毒和膜脂代谢相关的变化。总之，这些发现将鼻上皮确定为吸入塑料颗粒的敏感靶点，并强调了颗粒尺寸和颗粒间相互作用在塑造生物反应中的重要性。由于该研究使用了受控模型颗粒和相对较高的暴露浓度，需要进一步采用环境相关暴露场景、额外供体和先进气道模型的研究来确定这些反应对人类健康的更广泛意义。
