牙科诊所废水中升高的PMMA水平通过破坏dhrs9介导的视黄醇代谢诱导斑马鱼视网膜发育毒性

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Elevated PMMA levels in dental clinic wastewater induce retinal developmental toxicity in zebrafish by disrupting dhrs9-mediated retinol metabolism

　　

牙科诊所废水已成为一个显著但研究不足的微塑料污染源，但其对水生生物的生态毒理学风险仍知之甚少。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）是牙科修复和义齿材料的主要基质材料，在临床操作中普遍释放。本研究表征了来自五个随机选择的牙科诊所废水样品中的微塑料污染，发现PMMA占检测到的总微塑料的12.07%，并且在所有样品中均存在，确认其作为普遍存在的牙源性微塑料污染物的地位。随后，研究人员评估了微米和纳米级PMMA（PMMA-MNPs）对斑马鱼幼鱼的毒性效应，揭示纳米级PMMA（PMMA-NPs）比微米级颗粒表现出显著更高的发育毒性。暴露于PMMA-NPs诱导了浓度依赖性的生长迟缓、运动功能障碍和眼部发育缺陷，包括眼面积减小、眼部血管生成受损和广泛的视网膜细胞凋亡。转录组测序确定了视黄醇代谢通路是PMMA-NPs诱导眼部毒性的核心失调通路，并鉴定dhrs9为关键功能介导因子。利用dhrs9敲低和mRNA拯救实验的体内功能验证表明，dhrs9缺乏重现了PMMA-NPs诱导的视网膜结构损伤和凋亡，而外源性dhrs9 mRNA补充有效地逆转了这些毒性效应。研究人员的发现表明，牙源性PMMA-NPs通过抑制dhrs9表达和破坏视黄醇代谢稳态诱导斑马鱼视网膜发育毒性。本研究提供了首个将牙科微塑料暴露与水生生物视觉系统损伤联系起来的斑马鱼机制证据，为牙源性微塑料的生态风险评估和排放控制提供了关键基线数据。

微塑料（粒径小于5 mm的塑料碎片）污染已成为全球性环境问题，牙科诊所废水作为其重要但研究不足的排放源，对水生生物的生态毒理学风险尚不明确。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，牙科修复和义齿材料的主要基质）在临床研磨、抛光等操作中大量释放，但现有研究多关注常规塑料（如聚苯乙烯PS）的毒性，对牙源性PMMA颗粒的发育毒性，尤其是视觉系统损伤的机制缺乏认识。视网膜发育高度依赖视黄醇（维生素A的一种形式）代谢，该通路中的脱氢酶/还原酶9（dhrs9）是催化视黄醇与视黄醛可逆转化的关键酶。因此，研究人员假设牙科废水中的PMMA纳米颗粒（PMMA-NPs）能通过抑制dhrs9破坏视黄醇代谢稳态，进而诱导斑马鱼视网膜发育毒性。本研究旨在阐明PMMA-NPs对斑马鱼眼部发育的毒性效应及其分子机制，为牙源性微塑料的生态风险评估和排放控制提供理论依据。论文发表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》。

研究人员从中国南京市5个随机选择的牙科诊所采集废水样品，使用激光直接红外（LDIR）系统检测微塑料组成。随后以斑马鱼（Danio rerio）胚胎为模型，设置微米级（20 μm）和纳米级（80 nm）PMMA颗粒暴露实验，评估发育毒性并重点观察眼部表型。关键技术方法包括：行为学分析（AquaScan-2D Pro行为分析仪）、TUNEL凋亡检测、共聚焦荧光成像（Zeiss LSM 880和Nikon AX）、眼部血管生成评估（Tg(flk1:EGFP)转基因斑马鱼）、转录组测序（Illumina NovaSeq 6000平台）、实时荧光定量PCR（qPCR）验证、CRISPR/Cas9介导的dhrs9基因敲低及mRNA显微注射拯救实验，以及视网膜组织学（H&E染色）分析。

研究结果如下：
3.1 牙科诊所废水中微塑料的组成和分布特征：通过LDIR检测，所有5个诊所废水样品均检出微塑料，PMMA占总微塑料的12.07%，是仅次于聚酰胺（PA）的第二大组分，且在所有样品中均存在，确认其为牙源性微塑料的普遍污染物。
3.2 微米和纳米级PMMA暴露对斑马鱼幼鱼形态发育和运动行为的影响：暴露于20 μm PMMA-MPs和80 nm PMMA-NPs后，两者均显著降低斑马鱼体长，但PMMA-NPs对游泳距离、持续时间和速度的抑制更显著，表明纳米级颗粒毒性更强。
3.3 PMMA-NPs对斑马鱼幼鱼发育的剂量-反应关系和凋亡诱导效应：设置0、1、10、20 mg/L浓度梯度，发现PMMA-NPs浓度依赖性地增加心率、减少心面积和眼面积，并在144 hpf时显著诱导眼部TUNEL阳性凋亡信号，表明眼部发育缺陷和细胞凋亡随暴露浓度升高而加重。
3.4 PMMA暴露诱导斑马鱼眼部血管生成缺陷：FITC标记的PMMA-NPs可穿透血-视网膜屏障积累于视网膜。Tg(flk1:EGFP)斑马鱼显示，20 mg/L暴露组眼部血管网络稀疏、主干缺乏分支、管径缩小，且EGFP荧光强度显著降低，表明血管生成受抑制。
3.5 转录组测序揭示PMMA-NPs暴露诱导视黄醇代谢通路显著失调：差异表达基因KEGG富集分析显示视黄醇代谢通路显著富集，包括dhrs9在内的多个基因下调，qPCR验证了dhrs9等基因的表达下调，确认该通路为PMMA-NPs眼部毒性的核心失调通路。
3.6 dhrs9介导PMMA-NPs诱导的斑马鱼视网膜结构损伤和凋亡：H&E染色显示，PMMA-NPs暴露组和dhrs9敲低（dhrs9-KD）组均出现视网膜结构异常，晶状体和内丛状层（IPL）厚度显著降低；TUNEL染色显示大量凋亡信号。dhrs9 mRNA拯救可部分逆转这些损伤，表明dhrs9是PMMA-NPs诱导视网膜发育毒性的关键功能介导因子。

讨论部分总结：本研究将牙科诊所废水确定为PMMA污染的重要点源，并指出纳米级颗粒（PMMA-NPs）具有更高的生物可利用性和毒性。转录组和功能验证表明，PMMA-NPs通过抑制dhrs9表达，破坏视黄醇代谢稳态，导致视网膜结构损伤和细胞凋亡，这一机制与视黄酸（RA）信号调控的视觉发育过程密切相关。研究还讨论了局限性，包括样本量有限、暴露浓度（20 mg/L）高于环境水平、实验室条件与自然环境的差异，以及原始颗粒与风化颗粒的理化性质差异，提示未来需开展慢性暴露和环境浓度下的验证研究。结论部分：本研究将牙科诊所废水确定为被忽视的PMMA污染点源，并强调了相关的环境风险。研究人员的发现为临床实践、材料研发和环境管理提供了转化和监管意义。这些数据指导了具有更高耐磨性和环境可持续性的牙科修复和义齿材料的开发，并为建立牙科废水的特定排放标准和常规微塑料监测以保护水生生态系统提供了关键科学基础。