《Environment & Health》：Gut to Lung: Oral Nanoplastic-Induced Microbial Shifts Provoke Systemic Inflammation and Pulmonary Dysfunction
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口服暴露于纳米塑料（NPs）对哺乳动物健康产生不利影响，然而驱动远端肺毒性的机制仍知之甚少。具体而言，不同的NP聚合物如何破坏肠道-肺-微生物群轴在很大程度上尚不清楚。本研究在一个小鼠模型中，研究了以环境相关剂量（50 μg/d和500 μg/d）进行12周口
口服暴露于纳米塑料（NPs）对哺乳动物健康产生不利影响，然而驱动远端肺毒性的机制仍知之甚少。具体而言，不同的NP聚合物如何破坏肠道-肺-微生物群轴在很大程度上尚不清楚。本研究在一个小鼠模型中，研究了以环境相关剂量（50 μg/d和500 μg/d）进行12周口服暴露于三种常见NP [聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）] 后的效应，随后进行了组织病理学、微生物组学和代谢组学分析，以描绘NP诱导的肠道和肺组织改变。结果显示，所有三种NP均通过破坏紧密连接蛋白损害了肠道屏障完整性，并伴随着肺组织中显著的组织病理学改变和炎症浸润。其中，PE-NPs引发了最严重的肺部炎症和纤维化进展。对肺微生物组的分析揭示了特定细菌类群相对丰度的显著变化，其中高剂量PE诱导了肠道相关细菌（例如Turicibacter）的异位肺部定植，为屏障破坏和远端菌群失调提供了直接证据。值得注意的是，肺中Stenotrophomonas和Sphingomonas的富集与炎症代谢物（例如脱氢枞酸）强烈相关，表明肺中存在微生物群驱动的代谢重编程。总之，研究人员的发现证实，口服NP摄入会启动一个致病级联反应，其中肠道屏障失败使得跨器官微生物转移和代谢失调成为可能，最终加剧了肺纤维化。本研究为摄入的NPs在材料特异性的、远端毒性方面提供了关键的机制性见解。
**论文解读：口服纳米塑料通过肠道-肺-微生物群代谢轴驱动肺损伤的机制研究**
**研究背景**
全球塑料产量激增，特别是聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE），造成了持续的环境负担。这些塑料废物通过光氧化、热老化和微生物作用不完全降解，逐步碎裂成微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs）。由于聚合物固有的稳定性及高表面积体积比，NPs在环境中持久存在并发生生物累积，从而在生态系统中广泛分布。因此，人类通过现代食品系统（包括瓶装饮料、加工食品包装和农产品）面临日益加剧的口服NP暴露。近期生物监测研究已在人类关键组织（包括脑、肺泡、骨髓基质和粪便样本）中检测到NPs，其中PP、PE、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和PS是主要的聚合物类型。这种普遍存在的生物累积加剧了对NP诱导的多系统毒性的担忧，特别是新出现的证据表明其与肠道屏障受损、代谢紊乱、免疫失调和生殖损伤有关。
尽管已有研究证实呼吸道暴露于MPs/NPs可通过炎症级联反应、氧化应激和程序性细胞死亡诱导肺损伤，但经口摄入典型食源性NPs（PS、PP和PE）后引起肺损伤的毒理学机制仍是环境健康研究中的一个关键知识空白。新出现的证据表明，胃肠道及其驻留微生物群不仅是摄入NPs的直接靶点，也协调着系统性毒性。例如，NP暴露可引起肠道微生物群失调，导致小肠中白细胞介素17C水平升高，并引发炎症和脑损伤。此外，NPs还通过调节微生物代谢活性，特别是改变短链脂肪酸（SCFAs）的产生，对肠道健康产生不利影响，而SCFAs对于调节肺部免疫和炎症反应至关重要。这些相互作用揭示了一个双重机制，即NPs通过扰乱微生物多样性和诱导关键代谢通路失调来损害肠道健康。更重要的是，有证据表明，NPs暴露会损害肠道屏障完整性，从而使得肠道微生物群及其代谢物通过肠道-肺轴循环易位到肺部。然而，NP诱导的细胞损伤和肠道微生物群失调是否直接导致肺部病理变化仍不确定，这主要是由于对不同NPs在环境基质中的综合毒性效应缺乏足够的机制性理解。
**研究内容与结论**
为了阐明口服NPs诱导远端肺毒性的机制，研究人员开展了一项为期12周的小鼠体内暴露实验。研究使用了环境相关剂量的三种常见NPs（PS、PP和PE），并结合组织病理学、微生物组学、代谢组学及多组学关联分析，系统地探究了NPs对肠道和肺部的影响。研究结果表明，口服NPs会破坏肠道屏障完整性，并通过肠道-肺-微生物群代谢轴驱动跨器官的肺损伤。这一发现强调了聚合物类型在决定NP毒性效应中的关键作用，为评估NP污染对健康的风险提供了新的研究框架。该论文发表在《Environment》。
**主要技术方法**
1. **动物模型和暴露方案**：采用6周龄雌性BALB/c小鼠，通过口服灌胃方式给予环境相关剂量的PS、PP和PE纳米塑料（50 μg/d和500 μg/d），持续12周，建立亚慢性暴露模型。所有动物实验均经山东第一医科大学伦理审查委员会批准。
2. **组织病理学与成像分析**：使用苏木精-伊红（H&E）染色、Masson三色染色、阿利新蓝-过碘酸雪夫（AB-PAS）染色评估肠道和肺组织损伤及纤维化；采用免疫荧光（IF）和免疫组化（IHC）检测紧密连接蛋白和纤维化标志物；利用纳米级高光谱成像（HSI）技术并配合光谱角映射（SAM）算法，在肺组织中追踪和定量检测纳米塑料。
3. **微生物组学和代谢组学分析**：对小鼠粪便、肺组织和血清样本进行16S rDNA扩增子测序，分析微生物群落组成和多样性；对肺组织进行非靶向液相色谱-质谱联用（LC-MS）代谢组学分析，鉴定差异代谢物。
**研究结果**
**3.1. 三种纳米塑料在孵育前后的表征**
研究人员通过扫描电子显微镜（SEM）和动态光散射（DLS）等技术，对原始NPs以及经过模拟胃肠液消化后的NPs进行了表征。结果显示，初始NPs呈均匀球形，平均直径约500 nm。在体外模拟消化实验中，PP和PE颗粒在胃液暴露后出现显著表面粗糙化和降解碎片，而PS则保持结构完整性。这表明口服NPs在胃肠道中会发生材料特异性的降解，PS的稳定性可能增强其系统性转运和器官累积潜力。
**3.2. 口服纳米塑料对肠道组织的总体毒性**
组织病理学分析显示，NPs暴露导致小鼠小肠和结肠出现剂量依赖性的毒性反应，包括杯状细胞减少、炎症浸润、黏膜变薄和隐窝结构破坏，其中PE-NPs诱导的损伤最为严重。AB-PAS染色显示粘液分泌减少，尤其是PS500和PE500组。mRNA和蛋白水平分析表明，NPs暴露上调了促炎细胞因子（IL-1β和TNF-α）的表达，并显著下调了紧密连接蛋白（occludin、claudin-1、β-catenin）及其编码基因（Tjp1、Cldn1、Ocln）以及粘液相关基因（Muc1、Muc2）的表达，证实了肠道屏障功能受损。体外实验进一步验证了NPs对Caco-2细胞紧密连接蛋白的抑制作用，PE组效果最显著。
**3.3. 纳米塑料在肺部的累积及其对小鼠肺损伤的影响**
纳米级HSI成像证实，口服NPs（特别是PE500）能够在肺组织中显著积累。组织病理学分析显示，NPs暴露导致肺部出现显著的肺泡间隔增厚、炎症细胞浸润和胶原过度沉积，表明存在肺纤维化。ELISA和Western blot分析证实了促炎因子（TNF-α、IL-6、IL-1β）和纤维化介质（TGF-β1、α-SMA、Collagen III）的表达呈剂量依赖性上调，其中PE-NPs诱导的肺损伤最为严重。体外实验也证实，NPs可诱导RAW264.7巨噬细胞产生促炎反应。
**3.4. 口服纳米塑料导致肠道和肺部微生物群失调**
16S rRNA基因测序分析显示，NPs暴露以剂量和材料特异性方式改变了肠道和肺部微生物群落结构。在粪便微生物组中，NPs暴露导致Firmicutes和Patescibacteria富集，Actinobacteria减少。在肺部微生物组中，PE-NPs暴露增加了Firmicutes和Bacteroidota的相对丰度，同时显著富集了Stenotrophomonas、Cupriavidus和Bacillus等属。值得注意的是，高剂量PE暴露组小鼠的肺组织中检测到肠道驻留菌属Turicibacter的显著富集。通过PCR、qPCR和血清16S rRNA测序，研究人员进一步证实了Turicibacter从肠道到肺部的异位定植，表明肠道屏障破坏促进了微生物的跨器官易位。
**3.5. 差异富集微生物与促炎活性的强烈相关性**
线性判别分析效应大小（LEfSe）分析鉴定出NPs暴露组与对照组之间的差异丰度微生物类群。Spearman相关性分析显示，粪便中的关键微生物（如Turicibacter、Desulfovibrio）与促炎细胞因子（IL-1β、TNF-α）显著相关。肺组织中的差异微生物（如Megamonas、Delftia）与肺部的促炎因子也表现出强相关性。这些结果揭示了微生物群失调在驱动NP诱导的肠道和肺部炎症中的潜在作用。
**3.6. 口服纳米塑料影响肺部代谢谱**
非靶向代谢组学分析表明，NPs暴露显著改变了小鼠肺部的代谢物谱。研究人员在PS500、PP500和PE500组中分别鉴定出47、40和72种差异表达代谢物。高剂量暴露组中抗炎代谢物（如脱氢枞酸、穿心莲内酯、甘菊蓝）显著减少，而促炎代谢物增加。PP暴露导致与胶原合成相关的Pro-Hyp（脯氨酰-羟脯氨酸）积累，印证了肺纤维化的病理观察。此外，肺组织中检测到肠道来源的代谢物（如苯酚硫酸盐和血清素），为肠道-肺轴在代谢层面的相互作用提供了证据。KEGG通路富集分析显示，差异代谢物主要富集在脂质代谢、氨基酸代谢和谷胱甘肽代谢等通路。
**3.7. 肠道微生物群来源的代谢物通过肠道-肺轴调节肺部病理变化**
通过微生物组-代谢组关联分析，研究人员发现NPs暴露后，肺部微生物与代谢物之间存在广泛的相互作用。例如，在PS500组，促炎菌群Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia与次级胆汁酸前体3β-羟基-5-胆烯酸正相关。在PP500组，具有免疫抑制特性的Stenotrophomonas与促炎代谢物和氧化应激相关代谢物正相关。在PE500组，Brevundimonas与肺纤维化相关的代谢物正相关。进一步的代谢物-炎症因子相关性分析表明，PE暴露组中与炎症因子显著相关的代谢物数量最多，且脱氢枞酸、穿心莲内酯、kaurenoic acid和甘菊蓝等与炎症标志物显著相关，进一步证实了PE的肺部毒性更强。
**总结与讨论**
本研究通过多组学整合分析，揭示了口服NPs经肠道-肺-微生物群代谢轴诱发肺损伤的机制。研究结论指出，亚慢性口服NPs暴露会损害肠道屏障完整性，引发促炎性肠道菌群失调，并促进肠道微生物（如Turicibacter）易位至肺部。这种跨器官的微生物扰动与肺部代谢重编程协同作用，通过抑制抗炎代谢物、激活促炎和促纤维化信号通路，最终加剧肺部炎症和纤维化进展。其中，PE-NPs由于其在胃肠道中特殊的降解行为和更强的生物毒性，诱导了最严重的肺损伤，表现为最显著的肺部病理变化、独特的肺部微生物群变化以及炎症相关菌群与耗竭的抗炎代谢物之间的最强相关性。该研究强调了在评估NP的环境健康风险时，必须考虑聚合物类型这一关键因素，并为理解摄入的塑料颗粒如何通过肠道微生物群和代谢介导远端不良效应提供了重要的机制性见解和研究框架。
