尺寸依赖性塑料暴露破坏巨噬细胞功能与组织特异性代谢

《Nature Metabolism》：Size-dependent plastic exposure disrupts macrophage function and tissue-specific metabolism

　　

塑料污染是对免疫系统新兴且研究不足的环境风险。经口摄入后，微塑料与纳米塑料颗粒（micro- and nanoplastic particles，MNPs）可从肠道易位至内脏器官，其中巨噬细胞是关键靶细胞。库普弗细胞（Kupffer cells，KCs）是肝脏驻留巨噬细胞，在免疫监视与代谢中具有核心作用，但其对MNPs的应答尚不清楚。研究人员发现，在年轻雄性小鼠中，KCs是MNPs在肝脏的主要储库。12周慢性塑料暴露改变了KCs的转录谱，损害其吞噬功能，并与肝细胞代谢失调相关。微塑料（microplastics，MPs，500 nm）而非纳米塑料（nanoplastics，NPs，50 nm）会降低KC介导的循环细胞清除能力。在高脂饮食诱导的肥胖条件下，MPs加重肝脏脂质蓄积，而NPs改变全身糖代谢与能量消耗。上述结果证明，慢性MNPs暴露以尺寸依赖性方式破坏巨噬细胞功能，并对肝脏与全身代谢产生不同后果。

研究背景方面，塑料因耐用、可塑和低成本而无处不在，但其对人类与动物健康影响仍未被充分理解。塑料环境降解形成小于5 mm的MNPs，加之化妆品与洗涤剂中人为使用MNPs，导致食物与饮品广泛受污染。人类每周可摄入高达1–5 g塑料，MNPs已在肺、肾、肝、血、胎盘、脑与母乳中被检出，颈动脉斑块中MNPs升高与心血管事件和死亡风险增加相关。经胃肠道摄入是主要暴露途径，肝脏是MNPs蓄积关键部位。既往急性高剂量研究可见肝损伤、氧化应激、血清丙氨酸氨基转移酶（alanine aminotransferase，ALT）升高与肝代谢改变，但高剂量并不能反映当前人群暴露水平。KCs沿肝窦分布，适合捕获穿过肠屏障进入体内的MNPs，体外研究虽提示MNPs可影响巨噬细胞自噬、代谢与活性氧产生，但常使用过高浓度且无法重现生物流体中形成的蛋白冠（biocorona），因此体内慢性低负荷效应不清。

研究人员开展12周经口灌胃慢性暴露研究，比较500 nm MPs与50 nm NPs在小鼠中的分布、免疫代谢重编程与系统代谢后果，并结合高脂饮食（high-fat diet，HFD）挑战、单细胞水平转录组、体外共培养与谱系示踪，明确MNPs如何通过KCs间接重编程肝细胞与全身代谢。论文发表于《Nature Metabolism》。研究表明，KCs是肝脏MNPs主要储库；慢性暴露以尺寸依赖方式改变KC转录与效应程序、损害吞噬功能，并继而扰乱肝细胞与全身代谢；MPs主要导致肝脂质潴留，NPs主要改变糖代谢与能量消耗；停止暴露后代谢表型大多恢复，但塑料颗粒仍持久留存于组织。

主要关键技术方法方面，研究人员使用年轻雄性C57BL/6小鼠，设PBS对照、50 nm NPs与500 nm MPs经口灌胃队列，并设10 mg kg^?1、1 mg kg^?1剂量队列与HFD联合暴露队列；采用单核RNA测序（single-nucleus RNA sequencing，snRNA-seq）分析肝脏细胞类型与差异表达基因（differentially expressed genes，DEGs）；用流式细胞术与免疫荧光、电镜定位MNPs细胞内分布；用脂质组学分析肝脂质类别与物种；用KC与原代肝细胞共培养检验旁分泌致脂作用；用双命运图谱与Clec4f^DTR模型追踪卵黄囊来源KC及单核来源KC（moKCs）并评估吞噬恢复；用抗血小板抗体与大肠杆菌（Escherichia coli，E. coli）感染模型评估KC吞噬清除功能。

研究结果如下。

单次经口灌胃显示MNPs可过肠屏障并尺寸依赖地到达远端器官。50–500 nm颗粒在肝与脾巨噬细胞内蓄积；≤100 nm NPs可入脑并富集于IBA1⁺小胶质细胞，300–500 nm MPs未检出于脑。

慢性12周喂养显示MNPs主要蓄积于肝、脾与棕色脂肪组织（brown adipose tissue，BAT），不分布于脑、性腺白色脂肪组织（gonadal white adipose tissue，gWAT）、血、骨髓、淋巴结与小肠。KCs是肝脏主要储库，NPs也可少量进入肝窦内皮细胞（liver sinusoidal endothelial cells，LSECs）但不破坏窗孔。snRNA-seq显示肝细胞虽不直接蓄积MNPs，却携带最多DEGs，提示细胞非自主重编程。富集分析指向脂质定位、脂质外排、胆固醇稳态等通路；MPs特异影响糖原与糖酵解，NPs特异出现毒物应答。油红O（Oil Red O，ORO）染色显示12周时MPs增加中性脂质沉积，NPs与对照无差；4周时各组肝脂质无差。脂质组学显示MPs显著升高溶血磷脂酰乙醇胺（lysophosphatidylethanolamine，LPE）、溶血磷脂酰胆碱（lysophosphatidylcholine，LPC）与鞘磷脂（sphingomyelin，SM）。模块评分与VIPER分析表明两尺寸均抑制从头脂生成并增强脂肪酸摄取，但MPs特异下调极低密度脂蛋白（very-low-density lipoprotein，VLDL）分泌机器与单酰甘油脂肪酶（monoacylglycerol lipase，Mgll），造成脂质外排与周转障碍。

HFD联合暴露中，NP组增重较少、gWAT与BAT减轻、空腹葡萄糖与糖耐量曲线下面积升高，冷暴露时耗氧增加、脂肪量减少；MP组肝ORO信号增强。代谢笼显示摄食、饮水与运动无差，说明NP表型来自外周产热与脂质利用增强而非摄入或活动改变。

KC机制部分显示，MP-KCs共培养足以诱导原代肝细胞脂滴形成。KC亚群由5簇组成，MP与NP使 resident KC簇向0/2簇偏移。DEG与通路分析显示二者共有异物刺激应答、铁摄取、分子伴侣介导自噬；MPs下调清道夫受体配体摄取、趋化调控与Fc γ受体依赖吞噬，NPs则上调清道夫受体相关基因。蛋白组验证APOC3与转甲状腺素蛋白（transthyretin，TTR）等上调。VIPER显示共有PPARα、C/EBPα、HNF4α、HIF-1α激活；HIF-1α关联载脂蛋白Apoa1、Apoa2、Apoc3上调，构成共有脂质递送程序。NP特异激活PPARγ，MP特异激活MYC、PU.1、IRF1并丧失MAFB。功能上，4周MP暴露即损害KC对抗体标记血小板与静脉E. coli的清除，NP不受影响，说明MP特异的吞噬缺陷早于肝脂质蓄积。

谱系示踪显示12周暴露后KC仍几乎全部为卵黄囊来源，未被单核来源巨噬细胞替代。Clec4f^DTR模型中，DT清除KC后moKCs可迁入与早期分化，但MP暴露使12周后moKC维持受损、肝IBA1⁺巨噬细胞减少；单核细胞招募、Clec2⁺前体KC增殖与 niche 因子Dll4、Csf1、Il34未受影响，说明MP影响的是KC在肝内的长期维持而非生成。

讨论部分总结称，慢性MNPs口服暴露会以尺寸依赖方式扰动肝、BAT与gWAT代谢；MPs对肝脂质与糖原危害更明显，NPs促进耗氧与外周脂质利用，从而在HFD下出现糖耐量受损但肝脂较低。肝细胞改变可由KC来源载脂蛋白富集颗粒与受体介导摄取解释，MPs再叠加吞噬功能丧失与VLDL外排受损，导致净肝脂质潴留。6个月洗脱后颗粒仍存但代谢表型改善，说明“未过载”的KCs可恢复稳态功能。方法学上，Europium标记快速丢失、热裂解-气相色谱-质谱（pyrolysis-gas chromatography–mass spectrometry，pyrolysis-GC–MS）在脂丰富肝组织中受色谱与光谱重叠限制，提示组织内塑料定量仍具挑战。研究限于年轻雄性小鼠与相对短期HFD，不代表已进展至脂肪性肝炎或纤维化；KC–肝细胞脂递送回路与LSEC贡献仍需示踪脂质流研究。

结论部分翻译为：综上，该研究确定KCs是塑料在肝脏蓄积的主要靶点；慢性MP暴露破坏其吞噬功能，继而改变肝细胞代谢并促发全身代谢扰动。尽管暴露停止后代谢可恢复，但MNPs在KCs中持续存在，这引发了对肝脏稳态长期影响的担忧。