从摄入到转化：生物流体对纳米塑料改变的体外证据

《Food Chemistry》：From ingestion to transformation: in vitro evidence of nanoplastic alterations by biological fluids

　　

• 塑料产量的增加导致不可避免地暴露于微塑料和纳米塑料中。
• 摄入的纳米塑料在模拟消化液中会发生显著变化。
• 胃阶段引发明显的团聚和表面性质改变。
• 消化酶在纳米塑料表面形成动态蛋白冠。
• 全面的纳米塑料表征对于开展真实可靠的毒性评估至关重要。

引言
基于塑料的产品的大规模使用可追溯至第二次世界大战结束（Geyer 等，2017）。确切地说，在 20 世纪 50 年代左右，重要的化学稳定性、广泛的适用性、低成本、耐磨性和耐腐蚀性使得塑料在多个部门迅速普及，包括建筑、医疗、制药、农业和食品/饲料工业，到 2023 年总产量达到 4.14 亿吨；据预测，这一数字到 2050 年将大幅增长，预计产量将超过 11 亿吨（Lai & Lee, 2022; Statista 研究部门，2025; Yee 等，2021; Yin 等，2021）。不幸的是，根据经济合作与发展组织（OECD）关于塑料污染的报告（2022），只有 9% 的塑料得到了妥善回收。这与塑料产品的密集使用以及快速处置相结合，导致环境中塑料令人担忧的积累，对人类和动物健康产生负面影响（Yee 等，2021）。

正如 Wright 和 Kelly (2017) 以及 Kumar (2018) 所指出的，塑料产品对健康的有害影响在很大程度上与塑料颗粒的大小有关。尽管这些合成聚合物通常被认为是化学惰性的，但主要通过初级塑料物品降解形成的微塑料（MPs, < 5 mm）和纳米塑料（NPs, < 1000 nm）呈现出隐藏的生物风险（Lanzoni 等，2024）。鉴于它们在日常产品中的广泛使用以及在环境中的无处不在，人类暴露于 MPs 和 NPs 是不可避免的。通过食物和水的摄入以及吸入是主要的暴露途径（Zhu 等，2024）。其中，摄入尤其令人担忧，估计表明个人每年无意摄入 39,000 到 52,000 个塑料颗粒（Cox 等，2019）；根据 Catarino 等（2017），这些数字很可能被低估了。

然而，这些高数量可以归因于人类摄入塑料颗粒的各种途径。根据 Liu 等（2021）和 Kameda 等（2021），对这些物质的直接暴露主要来自饮用水，原因是河流、湖泊、地下水和废水等淡水来源受到污染。水生生态系统的污染对人类健康构成重大风险。除了直接被摄入外，MPs 和 NPs 还可以通过食物链转移。这一过程涉及颗粒通过食物链逐渐转移，从一个营养级移动到另一个营养级，导致生物累积，最终可能导致最高浓度出现在食物链顶端的人类体内（Rose 等，2023）。同时，水循环在土壤污染中发挥着重要作用。确认存在塑料颗粒（作为 MPs 或 NPs）引发了对动物和人类健康的严重担忧（Conti 等，2020; de Souza Machado 等，2019; Dong 等，2021; Kim 等，2019; Qi 等，2018）。

虽然迄今为止大多数研究侧重于塑料对植物生命的有害影响，但在近年来，检测人类和动物食用植物中 MPs 和 NPs 的存在引起了越来越多的兴趣（Liu 等，2021）。确实，人类不仅可以透过直接食用蔬菜暴露于塑料颗粒，还可以通过受污染的动物产品暴露（Liu 等，2021; Rose 等，2023）。在这种情况下，加工食品更容易受到塑料污染。这可归因于加工过程中介入的多个外部因素，包括周围环境、生产过程管理不当和供水条件（Wang 等，2023）。食品和饮料的包装是另一个值得注意/众所周知的暴露来源。虽然它起到了物理保护商品和延长保质期的作用，但食品与包装材料之间的直接或间接接触可能导致塑料残留物的转移。这种现象称为迁移，取决于食品的特性、包装材料的成分和储存条件（Lanzoni 等，2024; Nerín 等，2016）。

摄入后，塑料颗粒经过各种生物 compartment，每个 compartment 都表现出独特的理化条件，促进其转化并与周围生物环境相互作用（Fournier 等，2021）。在这些环境中，纳米颗粒迅速结合各种生物分子，如蛋白质、脂质和其他大分子，导致其表面形成蛋白冠（Cedervall 等，2007; Monopoli 等，2020; Nel 等，2009）。这种吸附生物分子的动态且复杂的层赋予颗粒新的生物身份，通常显著改变其原始理化性质（Monopoli 等，2020）。

因此，蛋白冠的形成在调节纳米颗粒行为方面发挥着关键作用，影响关键参数，如胶体稳定性、聚集状态、表面电荷、生物分布以及与细胞膜和生物系统的相互作用（Saptarshi 等，2013）。在胃肠道中，高浓度存在消化酶、胆汁盐和各种生物分子，这些纳米 - 生物相互作用尤为相关。这些过程可能关键影响摄入 NPs 的理化转化、环境反应性和生物命运，最终塑造其运输、生物利用度和潜在毒理学影响。

正如关于食品中 NPs 的 EFSA 报告（2016）所强调的，理解这些变化是研究的首要任务，鉴于了解塑料在体内的命运及其对人类健康的潜在影响存在相当大的知识差距。然而，虽然检测定量 MPs 的分析方法已完善，允许对污染水平、行为和潜在影响进行全面评估，但食品中 NPs 的研究仍然是相对较新的研究领域。因此，关于它们对人类健康特定影响的数据仍然有限（Lanzoni 等，2024; Wen 等，2024），调查食品中 NPs 影响的紧迫性日益增加，旨在弥合知识差距并更准确地评估它们存在食物链中带来的风险。

在此基础上，本研究旨在调查体外消化的每个阶段（口腔、胃和肠道）对聚苯乙烯（PS）NPs 的影响，PS 是使用最广泛的塑料聚合物之一（Plastics Europe, 2019）。为了模拟人体胃肠道消化，我们使用了标准化的 INFOGEST 2.0 协议（Brodkorb 等，2019; Minekus 等，2014），由于其高重现性、生理相关性和广泛的国际验证，它被广泛认可为目前体外消化研究的参考方法。为了阐明颗粒大小在这一过程中的作用，我们研究了两种不同颗粒大小（350 nm 和 500 nm）的 PS-NPs，以及两者的二元混合物（350 nm + 500 nm）。对胶体分散体进行了全面的物理表征，以评估纳米颗粒在体外消化前后的行为。具体而言，我们采用动态光散射（DLS）测定颗粒大小（流体力学直径）和多分散指数（PdI），而 zeta 电位（ζ）测量用于分析表面电荷的变化。此外，单颗粒消光和散射（SPES）被用于验证大小变化，并提供有关塑料颗粒数量浓度回收率的见解。与此同时，还通过研究酶吸附到纳米粒子表面来调查消化各个阶段蛋白冠的形成，使用了高分辨率自动电泳。该方法使我们能够阐明纳米粒子、消化酶和蛋白冠之间的复杂相互作用，深入了解 NPs 在胃肠道中命运和行为的潜在影响。

章节片段
纳米塑料颗粒
单分散、球形、表面光滑且未功能化的 PS 珠子购自 Polysciences（Polyscience, Inc. 400 Valley Road, Warrington, PA）。颗粒的名义物理直径为 350.0 ± 15 nm 和 500.0 ± 15 nm，变异系数（CV）为 15%，以 2.5% (w/v) 水溶液分散体形式供应，最终制备中表面活性剂含量极低。测量的颗粒直径符合由...建立的标准。

统计分析
预消化条件下 NPs 的大小（Z-平均，nm）、多分散指数（PdI）和 ζ-电位（mV）使用单因素方差分析（ANOVA）进行分析。纯化掺入样品并进行体外消化后获得的数据使用双因素方差分析（消化阶段 × NP 尺寸）进行分析，随后进行 Tukey 事后多重比较检验。统计分析使用 GraphPad Prism 版本 9.3.1（GraphPad Software Inc., San Diego, CA, USA）进行。

预消化前
实验使用的 PS350、PS500 及其组合（PS350+500）的理化特性，如 DLS 分析所示，见表 2。
在去离子水中获得的 PS500 的 Z-平均值与名义值一致，并且显著高于（P < 0.05）记录的 PS350 的值，尽管后者的值略高于预期的名义尺寸（350 ± 15 nm）。同样，PS350+500 配方显示出中间值，

讨论
对 PS 纳米粒子的预消化分析揭示了 PS350、PS500 及其组合在胶体性质上的显著差异。关于 NPs 悬浮液的流体力学大小、PdI、ζ-电位和 pH 的数据使得能够描述颗粒在标准条件下的行为，即暴露于消化液之前。在大小方面，这两个群体基于名义大小表现出预期的行为。然而，组合显示出约...的中间大小

结论
微塑料（MPs）和纳米塑料（NPs）在环境中的普遍积累已成为重大的公共卫生关注点，摄入被确定为人类暴露的主要途径。鉴于食品生产和包装系统中无处不在的污染，人类与这些颗粒的相互作用几乎不可避免。其中，NPs 代表了一个特别令人担忧但研究不足领域，因为它们能够在体内...进行复杂转化。

CRediT 作者贡献声明
Davide Lanzoni: 写作 – 回顾 & 编辑，写作 – 原始草稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。Gabriella F. Schirinzi: 写作 – 回顾 & 编辑，写作 – 原始草稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。Sabrina Gioria: 写作 – 回顾 & 编辑，写作 – 原始草稿，可视化，验证，监督，数据

伦理批准
不适用。

资金来源
本工作得到了欧盟委员会联合研究中心（JRC）通过机构项目资金（NANOPLASTIC, PRJ 32529）的支持。部分工作是在 JRC 访问科学家协议 No. 12/JRC.F.2/2023（F 局 – 健康与食品，JRC.F.2 健康技术）下进行的，并进一步得到欧盟 JRC 探索性研究计划（ER-PT-2024-SUPERFOOD）和组合"PF11 – 经济安全和创新工业生态系统的战略技术”的支持。

未引用参考文献
Powell, Faria, Thomas-McKay and Pele, 2010

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能看似影响在本论文中报告的工作。

Davide Lanzoni|Gabriella F. Schirinzi|Sabrina Gioria|Dora Mehn|Raquel F.S. Gon?alves|Ana Cristina Pinheiro|António A. Vicente|Marisa Sárria Pereira de Passos|Carlotta Giromini