聚丙烯微塑料通过调控氧化应激微环境引发小鼠肾脏代谢重编程：拉曼光谱与代谢组学的揭示

《Environmental Pollution》：Polypropylene microplastics orchestrate oxidative stress microenvironment and trigger metabolic reprogramming in mouse kidney as revealed by Raman spectra and metabolomics

　　

摘要

肾脏的高代谢活性和稳态调节作用使其易受微塑料（MPs）的影响；然而，具体的抗氧化靶点及其引发的代谢变化仍很大程度上尚不清楚。本研究通过拉曼光谱和非靶向代谢组学，区分蛋白家族和肾脏代谢特征，细化了聚丙烯-MPs对氧化还原稳态的影响。聚丙烯-MPs引起生化过程、肾功能和氧化还原稳态的显著波动，对Gpx5等抗氧化基因的表达产生差异性干扰。分子对接结果表明，聚丙烯-MPs可能破坏Gsta5、Gstt4、Gpx5和Txnrd2的蛋白结构。此外，聚丙烯-MPs诱导肾脏病变和纤维化，以及线粒体嵴紊乱。多层感知器神经网络揭示了关键拉曼光谱指纹峰（668、1112和1300 cm^-1）与肾脏肾小球变化之间的关联。非靶向代谢组学证实了细胞代谢过程的大量变化，表现为硫酸化代谢物和谷胱甘肽结合物所反映的解毒过载、磷脂重塑、线粒体能量危机及营养耗竭。这些代谢重编程和活性氧（ROS）失衡与拉曼光谱指纹峰密切相关。我们的研究为聚丙烯-MPs通过与某些抗氧化酶相互作用扰乱氧化还原稳态，以及由此引发的肾脏代谢重编程和肾脏功能障碍提供了理论线索。

引言

微塑料（MPs）是一类直径小于5毫米的新兴污染物，因其在水环境基质中的普遍存在而备受关注[1]。MPs已在水生环境[2]、陆地系统[3]和大气环境[4]中被广泛检测到，通过各种介质之间的迁移形成动态循环[5]。此外，MPs广泛存在于人类日常生活中，如瓶装水和自来水（平均38.45-62.38个颗粒）>

许多研究使用小鼠模型评估MPs的健康风险，包括能量和脂质代谢紊乱[12]、禁食诱导的脂质动员受损以及肥胖小鼠全身代谢加速紊乱[13]。聚氯乙烯MPs导致肝毒性，与脂质代谢和氧化应激相关[14]。长期口服沸水处理塑料的浸出物会诱导肠道微生物失调和代谢组学改变[15]。MPs还通过破坏肠道结构和通透性抑制造血干细胞的自我更新[16]。MPs已在肾脏组织和尿液中被发现[17]，并可能导致小鼠肾脏中蓄积[18]。由于代谢重编程是细胞满足能量需求的代偿机制，因此建立MPs暴露后肾脏代谢全景图至关重要。

尽管存在全身性病理表现，但MPs引起的多重效应共享氧化应激和代谢重构这一统一的病理基础。氧化应激系统在维持细胞内环境稳定性和响应外部刺激中发挥关键作用[19, 20, 21, 22, 23]。据报道，MPs可激活氧化应激通路，并通过阻碍紧密连接（TJ）相关蛋白损害皮肤紧密连接[24]。心肌细胞中ROS的产生增加可通过调控心肌能量底物代谢编程以及离子通道和转运蛋白的氧化还原修饰，损害心肌代谢灵活性[25]。ROS升高通过脂质、蛋白质和DNA的氧化损伤导致细胞损伤并破坏肾功能[26]。聚苯乙烯-MPs通过ROS介导的mTORC1和mTORC2失衡破坏了血睾屏障完整性[27]。聚苯乙烯-MPs引起的ROS升高导致肾单位祖细胞凋亡，下调Notch信号通路并干扰肾脏类器官的早期发育[28]。

ROS与代谢重编程密切相关，在细胞适应和应激反应中发挥关键作用[29]。代谢重编程涉及糖酵解、氧化磷酸化等核心通路的转变，以满足能量、生物合成前体和氧化还原平衡的需求[29]。相应地，细胞在氧化应激条件下会触发各种与代谢相关的应激反应通路以求生存[30]。一系列酶家族参与过氧化物代谢并调节氧化还原稳态，包括谷胱甘肽S-转移酶（Gst）、超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（Gpx）、硫氧还蛋白还原酶（Txnrd）和过氧泛素蛋白（Prdx）[31, 32]。尽管据报道MPs可引起细胞强烈的适应性反应，但MPs与抗氧化酶之间的相互作用及其潜在机制仍需阐明。

本研究调查了小鼠模型中聚丙烯-MPs暴露后编码各种抗氧化酶的基因表达情况，并明确了潜在的ROS相关受扰酶。结合拉曼光谱和非靶向代谢组学，我们的工作通过深度学习算法突出受扰代谢通路中的指标性代谢物，拓展了对细胞代谢改变的理解。我们旨在阐明聚丙烯-MPs引起的ROS驱动的代谢重编程，建立全面的代谢图谱以鉴定新型肾毒性生物标志物，并为治疗靶点提供线索。

各节摘要

聚丙烯微塑料的制备与表征

聚丙烯-MPs购自中国石油化工股份有限公司天津分公司（天津，中国）。将4 mg聚丙烯-MPs分散于1.0 L蒸馏水中，制备母液（0.004 mg/mL），并进行60小时超声剪切处理。使用共聚焦拉曼光谱仪P300（HOOKE Instruments Ltd，中国）和扫描电子显微镜（SEM；Nano SEM-450，FEI，美国）对聚丙烯-MPs进行表征。

动物处理

六周龄雄性ICR小鼠（SPF级）购自

聚丙烯-MPs对肾功能和氧化应激的影响

通过SEM观察聚丙烯-MPs的表面形貌和粒径分布（图1A）。其呈不规则形状，Zeta电位为-44.4 mV至-31.3 mV。MPs暴露导致肾功能和氧化应激的生化参数发生显著变化（图1B）。U-ALB呈剂量依赖性增加62-101%，P < 0.05，图1B），BUN呈相似趋势，42TH组显著升高。短期暴露于

讨论

MPs是新兴污染物，与哺乳动物多种健康效应密切相关[38, 39]。值得注意的是，近期研究已确认人体肾脏和尿液中存在MPs[17]，凸显了研究MPs所致肾毒性的必要性。人体通过食盐、饮用水和吸入途径的微塑料负荷估计分别为(0-7.3)×10⁴、(0-4.7)×10³和(0-3.0)×10⁷个颗粒/人/年[40]，全球平均水平每人可能摄入0.1-5.0 g

结论

我们的研究结果表明，聚丙烯-MPs在小鼠肾脏中引发的代谢紊乱与氧化应激之间存在相互关联，这可能最终导致微塑料引起的肾毒性。代谢紊乱可能通过影响细胞内氧化还原状态激活氧化应激，进而影响抗氧化系统的功能；反之，氧化应激可能干扰脂质代谢通路，导致脂质代谢

作者贡献声明

Jing Wang（王晶）：撰写-初稿、监督、方法学。DAYI ZHANG（张大义）：撰写-审阅与编辑、资源、方法学、资金获取、概念构思。Mingying Liu（刘明英）：撰写-审阅与编辑、撰写-初稿、资源、概念构思。Dandan Wang（王丹丹）：验证、调查。Fangfang Tao（陶芳芳）：撰写-初稿、调查、数据管理。Miao Wang（王苗）：调查、数据管理。Feier Jin（金feier）：验证、形式分析。Xiaoyi Guo（郭小怡）：验证、形式分析。

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本项目受国家自然科学基金（U24A20634）和国家重点研发计划（2025YFG0100800）资助。张大义还感谢中国政府青年拔尖人才支持计划的支持。

Jing Wang（王晶）|Fangfang Tao（陶芳芳）|Dandan Wang（王丹丹）|Miao Wang（王苗）|Xinglin Sun（孙兴林）|Xiaoyi Guo（郭小怡）|Feier Jin（金feier）|Mingying Liu（刘明英）|Dayi Zhang（张大义）

浙江中医药大学第三临床医学院，中国杭州 310053