《Journal of Hazardous Materials》：Polystyrene Nanoplastics Perturb Cell Membranes and Induce Bystander Uptake of Diverse Cargos
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摘要聚苯乙烯纳米塑料是普遍存在的环境污染物，但它们与细胞膜之间的基本物理相互作用，以及这些相互作用如何改变后续的细胞吸收机制，目前仍不甚清楚。在此，我们利用化学定义的模型膜（支撑脂质双层和巨型单层囊泡）以及肠上皮细胞来研究纳米塑料与膜的动态相互作用。我们发现，25纳米的聚苯乙烯纳
摘要
聚苯乙烯纳米塑料是普遍存在的环境污染物，但它们与细胞膜之间的基本物理相互作用，以及这些相互作用如何改变后续的细胞吸收机制，目前仍不甚清楚。在此，我们利用化学定义的模型膜（支撑脂质双层和巨型单层囊泡）以及肠上皮细胞来研究纳米塑料与膜的动态相互作用。我们发现，25纳米的聚苯乙烯纳米颗粒会显著扰乱脂质双层，严重限制膜的流动性，并使可移动的脂质比例永久性下降（从96.9% ± 1.7%降至67.2% ± 1.5%）。相应地，与50纳米颗粒相比，PS25会引发更高的细胞内化作用、线粒体功能损伤以及细胞毒性。更为重要的是，我们发现这种巨大的生物物理膜结构变化会成为“旁观者吸收”现象的强大触发因素。具体而言，PS25能显著促进多种通常无法穿透细胞的物质（包括蛋白质、肽类和金属纳米颗粒）在易感细胞系中的共同内化，程度可达原来的2到6倍。机制研究证实，这一现象并非由化学载体与物质的结合所驱动，而是由于膜的结构变形，进而干扰了依赖胆固醇的大胞吞作用以及脂质筏介导的内吞作用。这些发现揭示了纳米塑料作为一种物理“进入促进剂”的作用机制，它能增强共存的环境污染物的细胞内输送和毒性，为全面的风险评估提供了重要新见解。
引言
全球塑料产量从1950年的200万吨增长到2022年的4.75亿吨，预计到2060年这一数字还将上升至12亿吨[1]。如此大量的塑料使用产生了大量废弃物，给环境带来了严峻挑战[2]、[3]、[4]。在环境中，塑料碎片通过微生物降解、紫外线照射以及物理磨损作用，会分解为微塑料（0.1微米至5毫米）和纳米塑料（小于100纳米）[5]、[6]、[7]。这些微塑料和纳米塑料已在全球的各种生态系统、食物链甚至人体组织中被检测到，这引发了人们对其可能对人类健康造成影响的严重担忧[8]、[9]、[10]、[11]。
虽然聚乙烯是环境中最常见的塑料，但聚苯乙烯也同样普遍存在。由于其易于制备和特性分析，聚苯乙烯已成为纳米塑料毒理学研究的标准模型[6]、[12]、[13]、[14]。最近的体外和体内研究表明，聚苯乙烯纳米颗粒可以通过能量依赖性的内吞作用进入细胞，聚集在细胞核附近，进而引发氧化应激、线粒体损伤以及炎症反应[15]、[16]、[17]、[18]。然而，科学界对于纳米塑料的生物积累程度及其直接的体内毒性存在争议。这一争议部分源于复杂生物基质中的方法学局限，因为生物大分子或蛋白质聚集体很容易被误认为是转移进来的纳米塑料，从而导致“假阳性”结果[19]。鉴于这些分析上的挑战，有必要在最基础且最明确的生物界面——细胞膜上，研究纳米塑料的基本物理相互作用。
作为暴露时首先接触到的屏障，细胞膜对于理解纳米塑料的毒性至关重要。通过分子动力学模拟和体外实验的研究表明，聚苯乙烯纳米颗粒可以吸附在脂质双层上，引发诸如膜变薄、流动性改变、孔洞形成以及局部脱水等结构紊乱[20]。然而，不同大小的聚苯乙烯纳米颗粒究竟通过何种具体的生物物理机制破坏膜的结构，以及这些破坏带来的后续生物学后果，目前仍未完全弄清。尽管真实的细胞膜是非常复杂的结构，包含跨膜蛋白、密集的糖萼以及细胞骨架网络，但这些复杂性往往掩盖了纳米生物界面上的基本物理相互作用。相反，人工模型膜（如支撑脂质双层、巨型单层囊泡等）则具有成分明确且可调控的特点，能够将纯粹的物理化学和热力学机制与活跃的、需要能量的细胞过程分开研究。因此，为了弥合基础生物物理学与生理现实之间的差距，采用一种互补的“自下而上”的研究策略十分必要。通过将对简化模型膜的机制研究与活细胞中的全面验证相结合，我们可以确保在脂质双层层面发现的物理原理能够有效地应用于实际的生物学反应研究中。
除了在细胞膜上直接产生毒性外，另一个极为重要但尚未得到充分研究的问题是：纳米塑料是否可能成为其他环境污染物的传递促进剂[21]、[22]。纳米医学领域的最新研究表明，某些功能化的纳米颗粒能够引发“旁观者吸收”现象，从而选择性地增强多种物质的细胞内进入[23]、[24]、[25]。如果环境中的纳米塑料也具有类似的能力，能够显著改变膜的结构，进而间接促使通常无法被细胞吸收的有害物质（如重金属、有毒肽类或其他污染物）进入细胞，那么这种协同效应将会大幅提高它们的环境风险。不过，目前尚未有系统研究来探讨纳米塑料是否普遍能增强细胞对多种物质的吸收，以及导致这种旁观者效应的潜在生物物理机制和内吞机制是什么。
在此，我们采用了严谨的“自下而上”研究策略，结合化学定义的模型膜以及活细胞实验，来阐明不同大小（25纳米和50纳米）的聚苯乙烯纳米颗粒与脂质界面之间的基本相互作用。通过将膜的相关生物物理特性与复杂的细胞信号传导过程分开研究，我们旨在明确界定纳米塑料所引发的膜结构变化，并探究这些物理变化是否有助于那些原本无法穿透细胞的物质被细胞吸收。我们的研究揭示了一种机制：纳米塑料通过显著改变脂质双层的生物物理结构，劫持特定的内吞途径，从而协同增强细胞对共存污染物的吸收，这一发现对于全面评估纳米塑料的风险具有重要的意义。
章节节选
材料
1,2-二油酰基-鞘氨醇-甘油-3-磷酸胆碱、1,2-二油酰基-鞘氨醇-甘油-3-磷酸-(1'-R-甘油)、1,2-二油酰基-3-三甲基铵丙烷以及1,2-二油酰基-鞘氨醇-甘油-3-磷酸乙醇胺-N-(利萨明罗丹明B磺酸酯)均购自Avanti Polar Lipids公司。钙黄绿素、蔗糖、葡萄糖、牛血清白蛋白、氯仿、1,1'-十八烷基-3,3,3',3'-四甲基吲哚菁、4-氯苯磺酸盐、氨氯地平盐酸盐等也用于实验中。
聚苯乙烯纳米颗粒模型的环境生成与物理化学特性验证
为研究在日常实际活动中纳米塑料可能产生的情况，我们进行了模拟实验，即对市售的聚苯乙烯杯子进行微波加热处理（见图1A）。将这些杯子的碎片放入去离子水中，然后置于700瓦特的微波场中加热。动态光散射分析结果显示，这种微波处理能够迅速在水相中生成纳米级的塑料颗粒，而且这些颗粒的尺寸还会逐渐减小。
环境相关性及细胞毒性考量
我们的模拟降解实验表明，对消费用的聚苯乙烯产品进行微波加热确实会产生纳米级的塑料碎片，这一结果证明了我们研究的环境相关性。为将这类多分散的降解产物与更深入的机制研究联系起来，我们采取了双重策略。首先，我们验证了微波处理产生的聚苯乙烯碎片会在IEC-6细胞中引发浓度依赖性的细胞毒性（见图S2），其毒性强度与商业用的25纳米聚苯乙烯颗粒相当，这一结果进一步证实了
结论
本研究全面揭示了纳米级聚苯乙烯颗粒与脂质膜之间的生物物理相互作用，发现25纳米的聚苯乙烯纳米颗粒会比50纳米的同类颗粒产生更大的膜结构扰动，进而导致更强的细胞内化作用、更严重的线粒体功能障碍以及更显著的细胞毒性。通过使用化学定义的模型膜来分离分析这些相互作用，我们发现PS25能够迅速吸附并固定
环境意义
这项研究揭示了纳米塑料除了直接毒性之外还具有的重要环境影响。我们发现25纳米的聚苯乙烯纳米颗粒能够物理性地改变并重塑细胞膜的结构，从而削弱细胞的屏障功能。这种生物物理结构的变化会间接促进其他环境污染物，如重金属和有机毒素进入细胞。因此，目前那些仅针对单一污染物进行风险评估的模型可能
作者贡献说明
袁冰：文章撰写与修改、研究指导、资源提供、项目管理、资金获取、概念构思。刘洪：实验验证、方法设计、定量分析。杨凯：文章撰写与修改、研究指导、项目管理、定量分析。王涛：文章初稿撰写、数据可视化、实验研究、定量分析、数据整理。严阳：文章撰写与修改、初稿撰写、实验验证、研究指导、方法设计、实验研究。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了广东省基础与应用基础研究基金（编号为2023A1515011610、2023B1515120001、2024A1515110076以及2024A1515012453）、国家自然科学基金（编号为12274307、32230063、22307090以及12347102）的资助。
Tao Wang|Yang Yan|Tinghao Xu|Xiangyang Li|Cheng Xu|Yushuang Wei|Hong Liu|Kai Yang|Bing Yuan
中国广东省广州市510006，华南师范大学环境学院
