纳米塑料通过组蛋白乳酸化轴加剧DSS诱导的结肠炎

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Nanoplastics exacerbate DSS-induced colitis via histone lactate axis

　　

纳米塑料污染是一个严重的全球性问题，对人类健康构成了巨大威胁。然而，纳米塑料暴露与溃疡性结肠炎（UC）发生和发展之间的关系尚不清楚。研究人员建立了慢性葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的结肠炎模型，并暴露于聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs），评估了疾病严重程度、肠道炎症和肠道屏障功能。使用荧光多重免疫组化（mIHC）评估免疫微环境，同时通过蛋白质印迹（western blot）和靶向裂解与标记（CUT&Tag）分析组蛋白乳酸化修饰。此外，培养并干预了脂多糖（LPS）处理的RAW264.7细胞，以进一步研究PS-NPs在结肠炎中的分子机制。持续暴露于PS-NPs加剧了DSS诱导的结肠炎中的肠道炎症并损害了肠道屏障功能。PS-NPs暴露与巨噬细胞浸润增加、糖酵解增强以及巨噬细胞中组蛋白H3乳酸化上调密切相关。CUT&Tag分析显示，PS-NPs通过组蛋白H3K18^la乳酸化影响了GART（磷酸核糖基甘氨酰胺甲酰转移酶）的表达。干预组蛋白H3K18^la乳酸化显著改变了LPS处理的RAW264.7细胞中GART的表达和炎症因子水平。下调GART表达降低了LPS加PS-NPs处理的RAW264.7细胞中炎症因子水平。PS-NPs暴露通过上调组蛋白H3乳酸化加剧结肠炎。这项研究揭示了纳米塑料加剧肠道损伤的新机制，并为未来纳米塑料的风险评估提供了方向。

论文解读：纳米塑料通过组蛋白乳酸化轴加剧DSS诱导的结肠炎

**研究背景与问题**
纳米塑料（Nanoplastics, NPs）污染已成为全球性环境问题，其粒径小于1 μm，相较于微塑料更易进入细胞，对健康构成潜在威胁。溃疡性结肠炎（Ulcerative Colitis, UC）是一种慢性复发性肠道炎症，属于炎症性肠病（Inflammatory Bowel Disease, IBD）的一种，其发病机制尚不完全清楚，但环境因素被认为是重要诱因。然而，纳米塑料暴露与UC发生发展之间的关联及其分子机制尚未被阐明。此前，研究人员在结肠炎相关癌症模型中观察到长期暴露于聚苯乙烯纳米塑料（Polystyrene Nanoplastics, PS-NPs）可诱导代谢紊乱和DNA损伤，但针对UC的机制研究仍属空白。为此，本研究旨在探讨PS-NPs是否通过表观遗传修饰（尤其是组蛋白乳酸化）加剧UC，并揭示其潜在分子通路。

**研究内容与结论**
研究人员建立了慢性葡聚糖硫酸钠（Dextran Sulfate Sodium, DSS）诱导的结肠炎小鼠模型，并给予20 nm和50 nm PS-NPs连续暴露（1 mg/kg，灌胃），为期9周。通过评估疾病活动指数（Disease Activity Index, DAI）、结肠长度、体重变化、组织病理学（HE染色）及肠道屏障蛋白（Occludin、ZO-1）表达，发现PS-NPs暴露显著加剧了DSS诱导的肠道炎症和屏障损伤，且20 nm PS-NPs效应更明显。进一步利用荧光多重免疫组化（Multiplex Immunohistochemistry, mIHC）检测免疫细胞浸润，发现PS-NPs暴露后结肠组织中巨噬细胞（CD68⁺）比例显著增加。通过TOMM20染色、western blot及乳酸检测，发现PS-NPs暴露损害线粒体功能，增强糖酵解（LDHA、PKM2上调），并导致细胞内乳酸累积及组蛋白H3第18位赖氨酸乳酸化（H3K18^la）水平升高。双免疫荧光染色显示H3K18^la主要定位于CD68⁺巨噬细胞。在脂多糖（Lipopolysaccharide, LPS）处理的RAW264.7巨噬细胞模型中，PS-NPs同样促进糖酵解和H3K18^la，而使用2-脱氧-D-葡萄糖（2-DG）抑制糖酵解或乳酸钠（Nala）外源性补充乳酸，可分别下调或上调H3K18^la及下游炎症因子（IL-1β、IL-6、TNF-α）水平。乳酸转运抑制剂AZD3965可降低细胞内乳酸含量。

**关键技术与方法**
本研究采用的主要技术方法包括：慢性DSS诱导结肠炎小鼠模型（小鼠来源：河南斯克莱布生物技术有限公司），荧光多重免疫组化（mIHC）评估免疫微环境，蛋白质印迹（western blot）检测蛋白表达，CUT&Tag（靶向裂解与标记）技术进行全基因组组蛋白H3K18^la结合位点分析，ChIP-qPCR（染色质免疫沉淀-定量PCR）验证靶基因启动子结合，以及RAW264.7细胞（来源：中国科学院细胞库）的体外干预实验（包括2-DG、Nala、AZD3965处理及siRNA转染）。

**研究结果**
**2.1 PS-NPs暴露加剧小鼠模型中的结肠炎相关症状**
通过测量结肠长度、体重、DAI评分及HE染色，发现DSS+PS-NPs组（尤其20 nm）小鼠结肠更短、体重下降更显著、DAI评分更高，且组织学显示更多上皮缺损和炎症细胞浸润。RT-PCR检测显示结肠组织中IL-1β、IL-6、TNF-α mRNA水平升高。免疫荧光染色显示Occludin和ZO-1蛋白表达显著降低，表明PS-NPs进一步削弱肠道屏障功能。

**2.2 PS-NPs暴露促进巨噬细胞浸润和H3乳酸化**
mIHC结果显示PS-NPs暴露后结肠巨噬细胞（CD68⁺）比例显著增加。TOMM20染色降低提示线粒体功能受损。western blot显示糖酵解酶LDHA、PKM2表达升高，细胞内乳酸浓度增加，且H3K18^la水平最高。双免疫荧光证实H3K18^la主要位于CD68⁺巨噬细胞。在LPS处理的RAW264.7细胞中，PS-NPs增加乳酸、LDHA/PKM2及H3K18^la；2-DG抑制而Nala促进H3K18^la及乳酸脱氢酶（LDH）活性；AZD3965减少乳酸，提示MCT4介导的乳酸转运参与。

**2.3 CUT&Tag揭示PS-NPs暴露后H3乳酸化改变**
取DSS诱导小鼠（20 nm PS-NPs暴露组和对照组）的结肠组织进行CUT&Tag分析。测序结果显示，PS-NPs组中H3K18^la结合峰主要分布在启动子区域（42.79%），高于对照组（28.27%），且富集于转录起始区域。这表明PS-NPs诱导了组蛋白乳酸化位点的异常分布。

**2.4 嘌呤代谢是最显著的途径**
比较两组H3K18^la峰，鉴定出1702个共享峰、1999个PS-NPs特异性峰和6746个DSS独特峰。KEGG富集分析显示嘌呤代谢（Purine metabolism）是差异最显著的信号通路。Motif分析揭示不同乳酸化模式。在该通路中，GART（磷酸核糖基甘氨酰胺甲酰转移酶）被筛选为关键靶基因，ChIP-qPCR验证了H3K18^la与GART启动子的结合。Western blot显示PS-NPs暴露小鼠结肠中GART蛋白高表达。在LPS激活的RAW264.7细胞中，Nala上调GART，2-DG抑制GART；2-DG降低炎症因子，Nala增加炎症因子。沉默GART（Si-GART）显著降低LPS+PS-NPs共处理细胞中炎症因子水平。

**讨论与结论**
研究表明，PS-NPs通过增强糖酵解导致乳酸累积，进而上调巨噬细胞中组蛋白H3K18^la乳酸化修饰，后者在GART启动子区域富集，促进GART表达，最终加剧UC炎症反应。这是首次从乳酸化修饰角度阐明纳米塑料的肠道毒性机制，为UC提供了潜在治疗靶点。讨论部分指出，尽管已有研究提示纳米塑料可通过NF-κB/NLRP3等通路诱导肠道炎症，但本研究填补了表观遗传机制的空白。同时，研究存在局限性：缺乏临床样本验证PS-NPs暴露水平，未深入探讨嘌呤代谢的具体角色，仅聚焦于PS-NPs而非其他类型纳米塑料或尺寸效应。

**结论**：研究人员发现持续暴露于PS-NPs会加剧DSS诱导的结肠炎中的肠道炎症和肠道屏障损伤。机制上，PS-NPs通过上调GART表达促进结肠炎，该过程由组蛋白H3乳酸化介导。本研究阐明了纳米塑料对DSS诱导结肠炎的不良影响，强调了其在UC发病机制中的重要作用，并强调了进行塑料控制的必要性，尤其是在易感人群中。该论文发表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》。