《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》：Poly(methyl methacrylate) micro- and nanoplastics induce early mitochondrial dysfunction and cellular perturbations in
Drosophila melanogaster
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塑料污染已超越环境挑战范畴，成为对人类健康的新兴威胁。微纳塑料（MNPLs）已在越来越多的人类生物基质中被检出，表明人类广泛暴露于该类颗粒物并存在系统性生物分布。然而，尽管现实环境暴露涉及复杂的MNPLs混合物，多数机制研究仍依赖于理化特征简化的单分散颗粒，限
塑料污染已超越环境挑战范畴，成为对人类健康的新兴威胁。微纳塑料（MNPLs）已在越来越多的人类生物基质中被检出，表明人类广泛暴露于该类颗粒物并存在系统性生物分布。然而，尽管现实环境暴露涉及复杂的MNPLs混合物，多数机制研究仍依赖于理化特征简化的单分散颗粒，限制了现有毒理学证据的环境相关性。此外，人类暴露涉及多种聚合物类型，而绝大多数研究聚焦于聚苯乙烯（PS），限制了对聚合物特异性毒理学反应的理解。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为一种广泛应用于生物医学、光学和工业领域的聚合物，其环境累积与碎裂可形成MNPLs。值得注意的是，PMMA-MNPLs近期已在人类胃肿瘤组织和结直肠腺癌样本中被检出，但其生物学效应及与环境相关PMMA-MNPLs相互作用的机制仍未阐明。为填补上述知识空白，本研究采用黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）作为体内模型，旨在明确环境相关异质性PMMA-MNPLs所引发的早期生物学反应及潜在机制。为此，研究人员将全面的理化表征与颗粒摄取和转运、线粒体功能、氧化应激以及细胞应激、抗氧化防御、固有免疫、解毒和组织稳态相关分子反应的分析相结合。研究发现，PMMA-MNPLs可被幼虫摄入并穿越肠道屏障进入血淋巴，靶向血细胞线粒体并诱导功能性损伤，同时引发不同信号通路的转录调控，影响组织稳态、代谢和细胞维持通路。
论文解读
一、研究背景与科学问题
塑料污染已从单纯的环境挑战演变为对人类健康的潜在威胁。微纳塑料（MNPLs）在人类多种生物基质中的广泛检出，以及在人动脉粥样硬化斑块和多种肿瘤组织中的发现，加剧了学界对其在疾病发病机制中潜在作用的关注。尽管MNPLs暴露与慢性疾病之间的因果关系尚未确立，但现有证据凸显了阐明MNPLs与宿主相互作用机制及其生物学后果的迫切性。
当前研究面临的核心问题在于：现实环境中的MNPLs是高度异质的颗粒混合物，涵盖广泛的尺寸、形态、表面化学和理化特性，而多数机制研究却依赖于理化特征简化的单分散颗粒，限制了毒理学证据的环境相关性。此外，人类暴露涉及多种聚合物类型，但绝大多数研究集中于聚苯乙烯（PS），导致对聚合物特异性毒理学反应的理解严重不足。聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为生物医学、光学和工业领域广泛应用的聚合物，年产量达数十万吨，而有限的回收率促使其在环境中累积并碎裂为MNPLs。PMMA-MNPLs已在人类胃肿瘤组织和结直肠腺癌样本中被检出，但其生物学效应和作用机制仍悬而未决。因此，采用环境相关模型开展PMMA-MNPLs毒性研究，对于推进MNPLs毒性机制理解和危害评估具有重要意义。
二、研究设计与技术方法
研究人员选用黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）Canton-S品系作为体内模型，因其生命周期短、基因组全测序、遗传工具丰富，且约75%的人类疾病相关基因存在功能性同源基因。研究采用Sigma-Aldrich购买的PMMA-MNPLs，经探针超声分散后，以25、100和400 μg/mL名义浓度（对应食物中15.625、62.5和250 μg/g湿重）持续暴露于幼虫发育阶段。主要关键技术方法包括：扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）用于颗粒形态、尺寸分布和聚集状态表征；傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证聚合物身份；动态光散射（DLS）和电泳光散射测定水合粒径与ζ-电位；iDye PolyPink荧光标记结合共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）追踪体内颗粒摄取与转运；TEM观察肠道和血淋巴中颗粒定位；DCFH-DA荧光探针检测血细胞活性氧（ROS）水平；MitoProbe? TMRM检测试剂盒结合流式细胞术测定线粒体膜电位（ΔΨm）；逆转录定量PCR（RT–qPCR）分析12个基因的转录表达。
三、研究结果
3.1 PMMA-MNPLs理化表征
SEM和TEM分析显示高度多分散的颗粒群体，包含少量大于10 μm的球形颗粒和占主导的不规则亚微米颗粒。图像分析确定颗粒尺寸范围约100 nm至80 μm，平均直径11.63 ± 17.99 μm。DLS测得水合粒径548.9 ± 43.6 nm，多分散指数0.486 ± 0.027，ζ-电位为?14.4 ± 1.2 mV，表明中等胶体稳定性。FTIR光谱确认了PMMA的特征化学指纹。该颗粒模型较好地再现了环境风化塑料的理化异质性。连续暴露于15.625–250 μg/g湿重未显著影响成虫羽化率或诱导形态异常，表明测试条件下无明显的发育毒性。
3.2 PMMA-MNPLs的内化与组织分布
TEM分析在肠道腔、肠道共生菌、顶端微绒毛、细胞质、细胞内囊泡以及线粒体邻近区域均检出PMMA-MNPLs，证实细胞摄取和胞内转运。颗粒还出现在血淋巴中，表明其穿越肠道上皮并实现系统性分布。CLSM在暴露幼虫的肠道上皮和血细胞中检测到强荧光信号，而对照组无荧光，独立证实了颗粒摄取和消化道以外的播散。值得注意的是，暴露后肠细胞出现明显的线粒体空泡化和结构改变，提示细胞超微结构破坏和生理过程扰动。
3.3 PMMA-MNPLs诱导的氧化应激
DCFH-DA荧光分析显示，62.5和250 μg/g湿重暴露后血细胞荧光强度略有增加，但定量分析未达统计学显著性，表明PMMA-MNPLs暴露在循环血细胞中仅诱导有限水平的氧化应激。研究人员分析认为，血细胞实际接触的内部颗粒负荷可能远低于名义暴露浓度，因为仅纳米和亚微米级颗粒亚群能够到达循环血细胞，这可能解释了有限的ROS反应。
3.4 PMMA-MNPLs暴露后的线粒体损伤
TMRM流式细胞术分析显示，PMMA-MNPLs暴露后血细胞TMRM荧光降低，表明线粒体去极化。定量分析显示62.5 μg/g湿重浓度下ΔΨm显著下降，而250 μg/g浓度下下降未达统计学显著，呈现非单调剂量-反应模式。研究人员将其解释为低剂量应激可能激活适应性细胞反应，符合毒物兴奋效应（hormesis）概念。线粒体功能损伤伴随先前观察到的形态学改变，共同表明PMMA-MNPLs暴露诱导细胞器水平应激，线粒体是PMMA-MNPLs毒性的早期敏感靶点。
3.5 PMMA-MNPLs暴露的转录反应
RT–qPCR分析揭示选择性转录调控。应激标志基因Hsp70呈剂量依赖性升高，最高浓度下达统计学显著。抗氧化基因中，Cat在最高浓度下显著上调，而Sod2仅呈上升趋势未达显著。固有免疫基因呈现差异调控：PPO2在较低浓度下强烈诱导并在最高剂量下保持升高，Imd在两个暴露水平下均显著下调，Duox在最高浓度下显著上调。组织稳态和细胞维持相关基因中，Decay、Jon65Aii和hll在最高浓度下显著上调，Cyp4g1表现出最强转录诱导，而Ance-4和Alp5仅呈非显著增加。这些转录反应表明组织维持、代谢适应和解毒通路被激活，支持对PMMA-MNPLs暴露的协调补偿反应。
四、讨论与结论
讨论部分指出，尽管PMMA-MNPLs未诱导明显氧化应激反应，却优先靶向线粒体功能并选择性重编程应激、抗氧化、免疫、解毒和组织稳态通路，表明精细的细胞适应先于可测量的生理损伤。早期线粒体膜电位丧失，加上Hsp70、Cat、PPO2、Imd和Duox的差异调控，支持线粒体破坏作为前驱事件，进而引发整合的细胞保护和免疫调节反应以维持细胞稳态。Cyp4g1的强烈诱导提示增强表皮屏障形成和穿透抵抗的适应性反应。剂量与反应之间的非均匀关系表明适应性补偿机制塑造了非致死剂量暴露的生物学反应。
研究结论认为，环境相关异质性PMMA-MNPLs是具有生物活性的分子，能够穿透肠道屏障并介导协调的细胞和分子反应，尽管缺乏表观毒性。该研究证明细胞器和转录组生物标志物能够揭示常规毒性指标无法检测的生物学显著扰动，为MNPLs毒性机制理解和基于机制的环境风险评估提供了可靠平台。研究局限性包括：需使用真实商业产品来源的PMMA颗粒、需结合蛋白质丰度和酶活性验证转录发现、需评估组织特异性氧化反应、需更长时间暴露和更宽浓度范围以阐明非单调反应的机制，以及需纳入多种聚合物类型和环境相关混合物以反映真实暴露场景。该论文发表在《Environmental Chemistry and Ecotoxicology》。
