活性氧驱动的铁死亡与坏死性凋亡之间的串扰介导了斑马鱼母体暴露于聚苯乙烯纳米塑料诱导的神经毒性

《Environmental Pollution》：ROS-Driven Crosstalk Between Ferroptosis and Necroptosis Mediates Neurotoxicity Induced by Maternal Exposure to Polystyrene Nanoplastics in Zebrafish

　　

摘要

纳米塑料（NPs）在环境中广泛分布，引起了对其后代健康影响的严重关注。然而，母体暴露于 NPs 所诱导的神经毒性的确切机制仍未被充分了解。在本研究中，成年雌性斑马鱼暴露于聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs；0.1 和 1 mg/L）28 天，以调查母体转移、后代随后的神经毒性效应及相关细胞死亡途径。荧光成像证实了母体转移的 PS-NPs 在胚胎和幼虫中呈浓度依赖性积累。因此，母体暴露于 PS-NPs 显著降低了受精率和孵化率，增加了畸形发生率，并损害了幼虫发育。行为分析显示运动活性降低和对光暗反应受损，伴有端脑神经元结构紊乱和神经元密度降低。转录组和分子分析表明，母体暴露于 PS-NPs 严重破坏了铁稳态，其特征为铁过载和过量的活性氧（ROS）爆发以及脂质过氧化，同时改变了与铁死亡和坏死性凋亡相关的关键基因的表达。使用 N-乙酰半胱氨酸（NAC）进行的抗氧化干预有效缓解了氧化应激，并挽救了铁死亡和坏死性凋亡的改变，而铁抑制剂 -1（Fer-1）改善了铁稳态，减轻了神经元损伤，并缓解了坏死性凋亡相关反应。综上所述，我们的研究结果表明，与 ROS 相关的铁死亡和坏死性凋亡导致了母体暴露于 PS-NPs 引起的后代神经毒性，并表明这两种受调控的细胞死亡途径之间存在潜在的功能性交互作用。本研究为理解 NPs 诱导后代神经毒性的机制提供了新见解。

引言

在环境中，塑料碎片经历机械破碎和生物降解，降解为微塑料（MPs，<5 mm）和纳米塑料（NPs，<100 nm）（Ren 等，2024）。与 MPs 相比，NPs 由于其较大的比表面积、更高的表面反应性以及增强的生物利用度，会产生更显著的不良反应。这些物理特性使 NPs 能够跨越生物屏障，在组织中积累，并破坏关键的细胞功能（Jeong 等，2022）。在水环境中检测到的各种聚合物类型中，聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）由于分布广泛、商业可获得性以及理化特性表征明确，是最常研究的 NP 模型之一（Chen 等，2024）。因此，PS-NPs 已被广泛用于研究 NPs 诱导毒性的生物学效应和分子机制。

最近在人胎盘、血液和母乳中检测到 MPs 和 NPs，引起了对其潜在健康风险的深刻担忧，特别是在早期胚胎和婴儿发育期间（Leslie 等，2022；Ragusa 等，2022, 2021）。暴露于 NPs 可能会对神经认知发育产生不可逆的影响，可能导致婴儿发育迟缓（Trentacosta 等，2016）。在水生模型中，先前的研究表明 PS-NPs 在斑马鱼性腺中积累，并可以母体转移给后代，导致发育异常和生理功能障碍（Sarasamma 等，2020；Yi 等，2024）。新出现的证据进一步表明，PS-NPs 诱导后代氧化应激、线粒体功能障碍、神经炎症和神经元损伤，表明氧化应激可能代表 PS-NPs 诱导后代神经毒性中的核心事件（Chen 等，2024；Kaur 等，2025；Li 等，2024b；Yang 等，2022）。然而，母体转移的 PS-NPs 诱导后代神经毒性的确切机制仍未被充分了解。

越来越多的证据表明，氧化应激是 NP 诱导后代神经毒性的核心机制，并可能触发多种形式的受调控细胞死亡（Liu 等，2024；Vojnits 等，2025）。其中，铁死亡是一种由脂质过氧化物致死性积累触发的铁依赖性程序性细胞死亡途径（Jiang 等，2021）。细胞内过量的 Fe²⁺ 通过 Fenton 反应促进活性氧（ROS）的生成，导致脂质过氧化和严重的细胞损伤（Chen 等，2020；Qiu 等，2020；Zhang 等，2022）。例如，最近的研究表明，20 nm NPs 通过激活 ROS 依赖的内质网应激触发凋亡和铁死亡，从而在小鼠中诱导肺损伤（Wu 等，2024）。关键在于，新出现的证据突出了 PS-NPs 直接诱导神经系统中铁死亡的能力（Chen 等，2024；Sun 等，2023）。同样，坏死性凋亡是一种受体相互作用蛋白激酶（RIPK）依赖的程序性坏死途径，导致神经元损伤，并可被过量的 ROS 积累激活（Dionísio 等，2020）。尽管有这些见解，铁死亡和坏死性凋亡对母体 PS-NPs 暴露诱导神经毒性的具体贡献仍大部分不清楚。

越来越多的证据表明，不同形式的受调控细胞死亡作为相互连接的网络运作，而不是独立的级联反应。例如，谷胱甘肽过氧化物酶 4（GPX4），作为铁死亡的核心抑制因子，也被证明可以调节坏死性凋亡和其他细胞死亡途径（Xie 等，2023）。此外，抑制铁死亡可以在几种疾病模型中减弱坏死性凋亡相关信号（Canli 等，2016；Wu 等，2019）。这些发现表明铁死亡和坏死性凋亡之间存在潜在相互作用。然而，铁死亡和坏死性凋亡是否在母体 PS-NPs 暴露诱导的后代神经毒性中协同作用仍不清楚。

由于具有高繁殖力、体外受精、透明胚胎和保守的神经系统组织，斑马鱼作为调查环境污染物发育和神经毒性的强大且成熟的脊椎动物模型（Li 等，2025；Singh 等，2021；Zheng 等，2022）。在本研究中，我们建立了斑马鱼母体 PS-NPs 暴露模型，以调查对后代的神经毒性影响。使用 N-乙酰半胱氨酸（NAC）和铁抑制剂 -1（Fer-1）作为药理干预，我们特别关注氧化应激、铁死亡和坏死性凋亡在介导母体暴露于 PS-NPs 诱导的后代神经毒性中的相互作用。最终，本研究为理解 NPs 后代神经毒性的分子机制提供了新见解，从而增进了我们对 NPs 毒理学效应的理解。

章节片段

化学试剂

PS-NPs（50 nm，货号 XFJ100）购自南京先丰纳米材料科技有限公司（中国南京）。商业悬浮液的浓度为 10 mg/mL。荧光标记的 PS-NPs（50 nm，货号 GF50）购自惠智生物科技有限公司（中国），用于追踪组织分布。总铁（货号 E1050）和脂质过氧化（货号 S0131S）的分析试剂盒购自北京艾德生物技术有限公司（中国北京）和 Beyotime 生物技术有限公司

PS-NPs 的理化性质

通过 TEM（图 1A）和 SEM（图 1B）的形态观察显示，PS-NPs 呈现均匀的球形，表面光滑，具有优异的分散性，没有显示出明显的聚集（图 1A 和 B）。粒径分布分析表明，平均粒径为 37.65±5.52 nm（图 1C）。此外，Zeta 电位测量（图 1D）在负区域显示出明显的单峰（?53.33±2.81 mV），表明 PS-NPs

讨论

在本研究中，建立了母体 PS-NPs 暴露模型，以调查这些 NPs 诱导后代神经毒性的机制。我们证明母体转移的 PS-NPs 在后代中积累，导致发育异常、行为损伤和端脑神经元结构损伤。机制上，母体 PS-NPs 暴露破坏了铁稳态并加剧了氧化应激，伴随着铁死亡的并发激活-

CRediT 作者贡献声明

李杰：写作 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，方法论，概念化。刘梦 Yan：写作 – 原稿，验证，方法论，调查，形式分析，数据管理。李晓波：监督，方法论，概念化。郭燕：调查。李树俊：调查，数据管理。曹晓林：可视化，验证，调查，形式分析

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，可能影响本文报告的工作。

数据可用性

数据可根据要求提供。

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，可能影响本文报告的工作。

致谢

这项工作得到了北京市公共卫生高层次人才（学科带头人 -03-29）、BAST 青年精英科学家资助计划（编号 BYESS2023385）和北京市教育委员会研发计划（编号 KM202210025026）的资助。

刘梦 Yan|曹晓林 | 李树俊 | 郭燕 | 李晓波 | 李杰

首都医科大学公共卫生学院，中国北京 100069