聚四氟乙烯餐具释放的微纳塑料（MNPLs）：果蝇模型揭示其肠道转运、亚细胞损伤与转录扰动

《Eco-Environment & Health》：Polytetrafluoroethylene utensils as a source of micro- and nanoplastics: Insights from a Drosophila model

　　

研究人员采用多种工具追踪了果蝇摄入后聚四氟乙烯微纳塑料（PTFE-MNPLs）的体内旅程。摄入PTFE-MNPLs可触发与免疫通路相关的转录变化。在肠上皮细胞内部，MNPLs诱导形态学和生理学破坏。溶酶体和线粒体是诱导细胞应激的主要靶点。转录组学揭示PTFE-MNPLs是细胞/机体稳态的调节因子。

塑料污染已成为全球性生态与健康威胁，每年超过3.59亿吨的塑料产量以及环境中的大量累积，使得微塑料和纳米塑料（MNPLs）在人体器官中被频繁检出。厨房是MNPLs暴露的重要源头，聚四氟乙烯（PTFE）涂层厨具在烹饪和清洗过程中可释放大量微纳塑料颗粒。然而，PTFE-MNPLs经口摄入后的生物命运、穿越肠道屏障的能力及其对细胞和机体的毒性机制仍不清楚。为阐明这些问题，研究人员以黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）为模型，系统探究了PTFE微米级颗粒（PTFE-MPLs）和纳米级颗粒（PTFE-NPLs）的摄入动力学、肠道转运、组织分布及多层次毒性效应。该研究发表于《Eco-Environment》。

研究人员使用来自Nanoshel（英国）的PTFE-MPLs和Sigma-Aldrich的PTFE-NPLs，以果蝇Canton-S品系为暴露对象，将颗粒以31.25、125、500 μg/g湿食物的浓度掺入食物中，从卵期开始持续暴露至幼虫阶段。研究首先对颗粒进行了全面的理化表征，随后追踪了其在幼虫体内的分布，并通过组织学、转录组学、生理学和分子生物学手段评估毒性效应。

主要技术方法包括：采用扫描和透射电子显微镜（SEM/TEM）、动态光散射（DLS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和能量色散X射线能谱（EDX）完成颗粒表征；利用TEM和激光共聚焦显微镜追踪颗粒在肠道、肠上皮细胞及血淋巴中的分布；通过离体幼虫液体孵育实验评价生物侵蚀作用；采用RNA测序、基因集富集分析（GSEA）和实时荧光定量PCR（qRT-PCR）揭示转录组变化；利用流式细胞术检测线粒体膜电位；采用DCF-DA探针测定活性氧（ROS）水平；通过彗星实验评估DNA损伤。

研究结果如下：

**3.1 PTFE-MNPLs表征**。SEM和TEM显示，PTFE-MPLs呈不规则板状、多分散，平均尺寸约2186.73 nm；PTFE-NPLs为均匀球形，约249.41 nm。FTIR和EDX确认了氟聚合物特征。MPLs在水中易聚集，Zeta电位较低；NPLs胶体稳定性更好，Zeta电位绝对值更大。这些差异提示两种颗粒在环境持久性、生物利用度和细胞内转运方面可能不同。

**3.2 PTFE颗粒穿过肠道、与细菌相互作用、部分降解并损害组织完整性**。
- *中肠腔内*：TEM显示MPLs和NPLs定位于中肠腔，与共生细菌广泛接触，部分颗粒被细菌内化并引起菌体膜损伤和结构破坏。颗粒在中肠内发生生物侵蚀，尺寸显著减小（MPLs中位直径从1944.1 nm降至459.4 nm；NPLs从243.5 nm降至174.4 nm），并释放平均直径46.67 nm的纳米碎片。离体实验证实，幼虫体液可引起颗粒表面孔隙形成和碎裂。
- *穿越肠道屏障*：MPLs主要通过肠泡转运；NPLs除囊泡途径外还能直接穿透肠上皮屏障。两种颗粒均能到达肠上皮细胞内部。
- *细胞内和系统分布*：在肠上皮细胞中，颗粒分布于溶酶体样结构、线粒体附近，导致线粒体肿胀、嵴断裂等超微结构损伤。最终颗粒进入血淋巴，并与血细胞接触。共聚焦荧光成像确认颗粒在肠道和血淋巴中的广泛分布。

**3.3 PTFE微纳塑料在果蝇中引起尺寸和浓度依赖性转录组效应**。RNA-seq分析显示，在125 μg/g时，MPLs诱导158个差异表达基因（DEGs），NPLs诱导975个；在500 μg/g时，分别诱导553个和2897个，以下调为主。共有110个DEGs在所有条件下一致改变，涉及代谢、线粒体功能、溶酶体/自噬、免疫、抗氧化、内分泌、神经肌肉和表观遗传调控相关基因。qRT-PCR验证了关键基因（如hll、FarO、Cyp4g1、cathD、Alp2、Cu/Zn SOD等）的表达变化，证实转录组结果。

**3.4 PTFE-MNPL暴露后的线粒体结构与功能**。TEM观察到明显的线粒体损伤，包括肿胀、嵴浓缩或断裂、外膜破裂。转录组GSEA显示氧化磷酸化及线粒体代谢通路显著下调，NPLs影响呼吸链复合体I–V亚基编码基因。TMRM染色结合流式细胞术显示，PTFE暴露导致血细胞线粒体膜电位浓度依赖性下降，表明线粒体功能受损。

**3.5 PTFE-MNPLs在果蝇幼虫血细胞中引起氧化应激和基因毒性**。转录组富集分析显示质子转运V型ATP酶和线粒体复合体I、II相关GO项异常；qRT-PCR显示抗氧化基因Cu/Zn Sod、Sod2、Cat和Mtna显著下调。DCF-DA染色显示ROS水平浓度依赖性升高，NPLs诱导的ROS比MPLs高约1倍。彗星实验显示DNA损伤呈浓度和尺寸依赖性增加，NPLs更严重；凋亡、组织完整性相关基因（CREG、Decay、Jon65Aii）表达下调。

讨论部分总结：PTFE-MNPLs并非惰性颗粒，而是能够破坏肠道微生态、穿透肠道屏障、在溶酶体和线粒体中积累并诱导细胞应激。转录组分析揭示了免疫相关基因（如LysC、PGRP-SC1a、Upd2）的失调，反映宿主-微生物互作紊乱；溶酶体相关基因（vhaM9.7-b、cathD、Npc1b）异常表达，提示溶酶体功能障碍；线粒体损伤导致能量代谢失衡和ROS过量产生。此外，PTFE暴露还扰乱内分泌、神经肌肉、生殖和表观遗传调控，小尺寸NPLs表现出更强的生物反应性。研究人员指出，日常使用PTFE餐具可能使人体摄入MNPLs，累积效应可能导致DNA损伤、组织功能障碍及潜在的致癌风险，但定量风险评估仍需进一步研究。

研究结论如下：在果蝇模型中，经口暴露PTFE-MNPLs导致颗粒在肠道腔内被内化，它们与共生细菌相互作用，引起细胞损伤并触发免疫通路相关转录变化，这是对暴露个体的最初影响。中肠的理化环境与颗粒碎裂相关，可能释放超小的次生NPLs、低聚物和单体。肠道屏障不能完全阻止PTFE-MNPLs的转运：MPLs通过囊泡运输被内化，而NPLs利用两种不同途径——穿透围食膜并沿血管液泡迁移。一旦进入肠上皮细胞，MNPLs广泛分布并与关键细胞器相互作用，诱导形态和生理破坏。溶酶体增大和空泡化，线粒体则表现出肿胀、嵴紊乱、空泡化等结构异常，表明它们是PTFE诱导细胞应激的主要靶标。这些破坏损害分子和细胞稳态，影响代谢、线粒体功能、氧化还原平衡、免疫、表观遗传与转录调控、神经退行性变、凋亡、胞内运输、发育以及潜在致癌途径。较小尺寸的NPLs作用尤为显著，可破坏氧化还原平衡、削弱抗氧化防御并促进DNA损伤。总之，这些发现将PTFE-MNPLs确立为动态生物干扰物，它们从环境污染物转变为细胞和机体稳态的潜在强效调节因子，对暴露生物体健康产生多层次影响。