可生物降解PLA微塑料的肺途径主导滞留与暴露负担：基于放射性示踪剂的毒代动力学与TRACE暴露-反应框架的建立

《Journal of Hazardous Materials》：Pulmonary-Route-Dominant Retention and Exposure Burden of Biodegradable PLA Microplastics: Radiotracer-Based Toxicokinetics and Development of the TRACE Exposure-Response Framework

　　

可生物降解聚乳酸微塑料（PLA MPs）经肺途径暴露后在体内呈现优势滞留与更高的暴露负担。研究人员利用¹²⁵I标记结合单光子发射计算机断层扫描/计算机断层扫描（SPECT/CT）成像，绘制了PLA在小鼠体内途径依赖的生物分布；建立了毒理学反应与细胞暴露（TRACE）框架，将器官水平暴露负担与细胞应激反应联系起来；肺来源细胞表现出更强的氧化应激和超微结构损伤；时间依赖质量平衡模型预测慢性吸入条件下肺部进行性蓄积。研究表明暴露途径强烈决定PLA MPs的生物命运，吸入暴露较口服途径具有更高的滞留与潜在毒性风险。

研究背景方面，微塑料（MPs）环境污染引发健康担忧。聚乳酸（PLA）因可生物降解且来源于可再生资源，被视为石油基塑料的替代品，广泛应用于食品包装、生物医学器件和增材制造。然而环境监测发现PLA MPs已存在于海洋和淡水沉积物、污泥及水库沉积物中；其降解高度依赖温度、湿度和微生物活性，在生物体内可能不完全降解而持续存在。以往缺乏在统一实验框架下比较吸入与经口途径PLA MPs毒代动力学的研究。鉴于吸入暴露因3D打印等职业场景日益重要，研究人员提出假说：肺途径暴露会导致更长的肺滞留、更强的系统再分布和放大的细胞应激反应。他们利用¹²⁵I标记的氨基功能化球形PLA，结合SPECT/CT成像和定量毒代动力学分析，在小鼠模型中直接比较了气管内滴注与口服给药后的生物分布和滞留；建立了TRACE（Toxicological Response And Cellular Exposure）框架，整合器官暴露负担与细胞氧化应激、线粒体超微结构损伤和细胞毒性；通过体外人类细胞模型和6周体内暴露实验验证了机制性损伤；进一步以人体暴露场景建模外推长期蓄积动态。得出主要结论：肺途径暴露产生显著且持久的肺滞留，系统暴露负担更高；肺来源细胞显示出更强的氧化和结构应激；人体模型预测慢性吸入可致进行性肺部蓄积。研究发表在《Journal of Hazardous Materials》，其意义在于揭示可生物降解塑料并非生物学惰性，吸入暴露应作为生物塑料安全评价的重要环节。

研究人员使用雌性C57BL/6J小鼠（日本静冈实验室中心，6-7周龄）作为体内模型，采用Iodogen法将¹²⁵I标记到氨基官能化球形PLA，通过口服或气管内滴注定量给药；利用SPECT/CT动态成像和离体γ计数器获得器官%ID/g-时间曲线，计算毒代动力学参数；体外机制实验使用人肺上皮L-132、人肺成纤维MRC-5、人结肠上皮CCD 841 CoN和人小肠上皮HIEC-6细胞系，检测细胞活力、活性氧（ROS）、透射电镜（TEM）超微结构和相关蛋白表达；随后进行肺组织病理和免疫组化（IHC）；TRACE框架将器官AUC与ROS、TEM线粒体损伤及细胞毒性进行Z-score标准化整合；人体暴露建模采用异速缩放和时间依赖质量平衡模型，吸入和口服输入来自已发表的MPs环境数据并加以情景约束。

3.1 放射性碘标记及¹²⁵I-PLA表征：通过动态光散射测得氨基PLA水合直径为166.9±30.3 nm，Zeta电位为?29.3±7.66 mV；¹²⁵I标记产率约49.7%，放射化学纯度92.2%；SEM证实标记后粒径与形态未发生显著改变。

3.2 体外稳定性研究：¹²⁵I-PLA在去离子水、盐酸、小鼠血清和模拟肺液中3天稳定性均>65%；24小时内在盐酸和模拟肺液中稳定性均约80%，表明早期途径比较不受标记差异明显干扰。

3.3 SPECT/CT显像揭示途径依赖性动力学差异：口服后放射性迅速出现于胃和肠道，24小时基本清除；气管内滴注后肺信号持续72小时，72小时肺%ID/g仍高达172.69±82.09，提示肺清除缓慢。

3.4 系统性生物分布与毒代动力学分析：气管内滴注组几乎所有器官的%ID/g均高于口服组；肺内生物学半衰期（T_b）较口服延长20倍以上，总系统暴露负担（AUC）高2.25倍，证实肺途径诱导更高系统暴露。

3.5 离体组织放射性薄层色谱分析：确认¹²⁵I与PLA在体内存续期间保持共定位，支持放射性信号主要反映颗粒相关负荷。

3.6 途径主导的蓄积与滞留特征：肺的蓄积比（88.34）和滞留比（69.73）远高于其他器官；胃肠道蓄积和滞留较低；肾、胸腺、肝和血呈中等蓄积，显示肺为吸入暴露的优势蓄积器官。

3.7 碎片化PLA制备及体外机制毒性试验：机械碎片化PLA MPs（平均2.55 μm）较球形PLA细胞毒性更强，400 ppm时人肺上皮L-132、肺成纤维MRC-5、小肠上皮HIEC-6和结肠上皮CCD 841 CoN细胞活力分别降至约68%、58%、40%和76%；ROS增加1.02-1.27倍；TEM显示内质网扩张、自噬体形成和线粒体肿胀；Western blot显示ER应激标志物（p-IRE1、p-PERK、CHOP）和线粒体凋亡标志物（cytochrome c、AIF）上调而caspase无明显变化，提示caspase非依赖性凋亡。

3.8 TRACE框架识别肺部对PLA颗粒暴露的更高敏感性：肺上皮L-132的TRACE-C、TRACE-E、TRACE-R、TRACE-I均为最高；肺成纤维MRC-5中等；肠上皮细胞呈低或负值，表明肺源性细胞系统将颗粒负担转化为氧化和结构损伤的效率高于肠道模型。

3.9 PLA暴露的体内毒理学评价：6周气管内滴注PLA后小鼠肺出现血管周围淋巴细胞聚集，部分动物见中性粒细胞；口服组胃和肠道无明显病理；PLA暴露组肺组织IL-6和TNF-α表达升高，说明吸入途径可诱发肺部炎症。

3.10 人体暴露情景化输出：根据场景估算每日吸入PLA剂量为0.61–4.23 μg；部分口服场景（啤酒、食品包装）日摄入量可高达15486 μg和2387 μg，但主要局限于胃肠道腔内。

3.11 基于情景的暴露情景化依据：由于目前缺乏聚合物分辨的人体PLA暴露剂量数据，模型使用文献中总MPs浓度和检测限约束作为输入，以情景化方式估计器官负担。

3.12 吸入暴露情景：估算室外空气中PLA浓度为0.033 μg/m3，室内为0.051 μg/m3，工业环境为0.23 μg/m3；对应日吸入量分别为0.61、0.94和4.23 μg/天。

3.13 口服暴露情景：对瓶装水（500 nm和6.5 μm）、自来水（1 μm）、啤酒（547.7 μm）和食品包装（500 μm）中MPs计数转换后得到差异巨大的日摄入估算，反映粒径和摄入条件的影响。

3.14 24小时器官沉积与滞留：吸入模型显示肺为最主要沉积和滞留器官，肺滞留浓度接近沉积值；口服模型中胃沉积最高，但24小时后大肠滞留最高，体现转运限制。

3.15 动态蓄积模型：连续吸入一年后，肺内PLA浓度随暴露强度增加而升高，工业场景较室外高约7-10倍，且仍未达稳态；口服模型约4-5天达到稳态，大肠为主要临时储库；支持吸入途径导致进行性肺蓄积而口服途径以快速转运消除为主。

讨论部分总结：研究人员指出，¹²⁵I标记与SPECT/CT结合实现了无创、定量的颗粒追踪；气管内滴注引起的高系统暴露与其通过大表面积、丰富血管化的肺泡界面的高效吸收有关，而肺清除依赖较慢的黏液纤毛转运；游离¹²⁵I对照显示胃部信号与钠碘同向转运体（NIS）有关，且口服¹²⁵I-PLA与游离¹²⁵I的肠道分布差异支持早期信号主要代表颗粒。针对两种PLA制剂，研究人员说明氨基球形PLA用于保证稳定标记定量，碎片化PLA用于模拟环境相关颗粒的细胞毒性机制。TRACE框架被定位为首代模块化暴露-反应整合工具，尚需纳入炎症、DNA损伤等多组学终点。人体暴露模型说明在缺乏直接PLA数据时，场景化估算能提供假设生成性见解；其局限性包括异速缩放的不确定性、未考虑巨噬细胞清除、检测限约束等。结论部分翻译如下：研究结果表明，暴露途径强烈决定可生物降解PLA MPs的生物命运。TRACE框架提供了一种将暴露负担与细胞应激反应相结合的定量方法。在小鼠中，肺途径给药导致比口服途径更长的肺滞留和更大的系统分布。基于情景的人体暴露情景化进一步提示，在既定假设下，重复吸入可能促进进行性肺部蓄积。这些结果强调，在评价新兴生物塑料的环境健康影响时，必须考虑呼吸道途径暴露。