生态毒理学报Asian Journal of Ecotoxicology第18卷第4期2023年8月V ol.18,No.4Aug.2023㊀㊀基金项目:国家自然科学基金青年项目(82202069)㊀㊀第一作者:孙凡晰(1997 ),女,硕士研究生,研究方向为环境材料与技术,E -mail:*********************㊀㊀*通信作者(Corresponding author ),E -mail:*********************.cn ㊀㊀共同通信作者(Co -corresponding author ),E -mail:****************DOI:10.7524/AJE.1673-5897.20221025001孙凡晰,齐鑫,王靖,等.微塑料和纳米塑料对胃肠道及肝脏的毒性效应机制研究进展[J].生态毒理学报,2023,18(4):131-147Sun F X,Qi X,Wang J,et al.Mechanism of toxic effects of microplastics and nano -plastics on gastrointestinal tract and liver:A review [J].Asian Journal of Ecotoxicology,2023,18(4):131-147(in Chinese)微塑料和纳米塑料对胃肠道及肝脏的毒性效应机制研究进展孙凡晰,齐鑫,王靖*,纪丽莲#苏州科技大学化学与生命科学学院,苏州215000收稿日期:2022-10-25㊀㊀录用日期:2023-01-20摘要:由于塑料制品的大量生产和使用,其废弃物降解产生的微塑料(microplastics,MPs)作为一种新型的环境污染物近年来逐渐引起全世界的关注㊂持续的老化会使微塑料降解为纳米塑料(nano -plastics,NPs),在进入人体后增加对细胞的危害,因此微塑料和纳米塑料对人体产生的毒性效应及健康危害也日益成为环境领域的研究热点㊂本文基于已有研究,重点阐述了人体内微塑料和纳米塑料沉积对胃肠道产生氧化应激㊁炎症及细胞凋亡相关毒性效应的机制,以及造成肝脏糖脂代谢紊乱的潜在机制,为进一步开展微塑料和纳米塑料的毒性效应机制研究和人体健康风险评估提供理论依据㊂关键词:微塑料;胃肠道;肝脏代谢;肝脏;氧化应激;纳米塑料文章编号:1673-5897(2023)4-131-17㊀㊀中图分类号:X171.5㊀㊀文献标识码:AMechanism of Toxic Effects of Microplastics and Nano-plastics on Gastro-intestinal Tract and Liver :A ReviewSun Fanxi,Qi Xin,Wang Jing *,Ji Lilian #School of Chemistry and Life Sciences,Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215000,ChinaReceived 25October 2022㊀㊀accepted 20January 2023Abstract :In recent years,due to the mass production and use of plastic products,microplastics (MPs)produced by the degradation of their wastes have gradually attracted the world s attention as a new type of environmental pollu -tant.Continuous aging degrades MPs into nano -plastics (NPs),which can increase their damage to cells when they enter the human body.Therefore,the toxic effects and health hazards of MPs and NPs on the human body have in -creasingly become a research hotspot in the environmental field.Based on existing studies,this article focuses on the mechanism related to the toxic effects of MPs and NPs deposition on the gastrointestinal tract (e.g.,oxidative stress,inflammation and apoptosis),and the potential mechanism of glucose and lipid metabolism disorders in the liver.This study provides a theoretical basis for further research on the mechanism of toxic effects of MPs and NPs and human health risk assessment.132㊀生态毒理学报第18卷Keywords:microplastics;gastrointestinal tract;glucolipid metabolism;liver;oxidative stress;nano-plastics㊀㊀随着塑料制品在生产和生活中的广泛使用,中国已经成为全球最大的塑料生产国㊂由于使用的需要,这些塑料制品通常耐高温,耐酸碱,耐腐蚀,目前还没有正确的方式处理塑料垃圾,这些塑料垃圾在自然环境下几乎不会被完全降解,而是通过生物以及非生物途径逐渐降解为微米或纳米级的碎片[1-3],更容易发生转移和扩散,导致微塑料和纳米塑料对环境的污染㊂根据塑料颗粒的粒径不同,可以将其划分为微塑料(microplastics,MPs)(直径纺5mm)[4]和纳米塑料(nano-plastics,NPs),目前有关NPs的粒径划分标准尚存争议,大部分学者将粒径<1μm的塑料颗粒定义为NPs[5-6]㊂随着对人体中MPs和NPs研究的不断深入,研究者们已经在人类血液㊁胎盘和粪便中发现了MPs和NPs[7-9]㊂MPs和NPs主要通过食物㊁水以及空气进入人体[10-11]㊂小鼠暴露实验发现, MPs和NPs进入体内后在胃㊁肠㊁肝脏等器官积累[12-13]㊂从消化道进入的MPs和NPs由于耐腐蚀性高,消化液会改变MPs和NPs颗粒的表面粗糙度和粒径[12],使它们更稳定地停留在消化道内壁,也更易吸附其他有毒物质从而增加毒性[14]㊂实际上,组织内的屏障并不能阻止MPs和NPs的入侵,MPs和NPs进入人体后,小粒径的塑料颗粒可以跨越消化系统的上皮屏障[15-17],从而进入淋巴和血液循环,粒径范围在0.1~10μm的纳米级塑料颗粒甚至可以穿过血脑屏障和胎盘[18-20]㊂饮食饮水摄入的MPs 和NPs颗粒,若其粒径>150μm,通常很难穿过肠道上皮细胞,导致几乎90%的MPs通过粪便排出体外[5],剩下的只能在肠道上皮细胞膜外产生局部影响,而<150μm的纳米级塑料颗粒接触到小肠绒毛时,这些小粒径的塑料颗粒则会穿过小肠上皮细胞[21],进入淋巴系统[22]和血液[18,23],通过毛细血管最终到达门静脉,扩散至全身[24-26]㊂对于<150μm的纳米级塑料颗粒物,其中>10μm的部分塑料颗粒(0.1%)可到达其他器官和细胞膜表面[19],而<5μm 的纳米级颗粒物则会被淋巴细胞吸收[21]㊂随着有关纳米级塑料颗粒进入哺乳动物细胞机制研究的逐渐深入,可以归纳出以下3种纳米级颗粒进入淋巴和血液循环的机制:(1)小粒径的纳米粒子通过细胞间紧密连接旁路,扩散进入血液[27],肠道上皮杯状细胞分泌的黏液是促进其旁路扩散的因素[21];(2)较大一些的纳米粒子(50~200nm)更倾向于通过内吞作用穿过肠道上皮细胞[21],并且可能存在黄金摄入尺寸,例如40nm可能是非吞噬细胞摄取的最佳尺寸[28],而200nm可能是穿过血脑屏障的最佳尺寸[29]㊂体内研究发现,肠道细胞可利用不同的内吞机制,甚至多种内吞机制联合使用,内化纳米级颗粒物,例如吞噬细胞可通过吞噬作用将其内化[30],而非吞噬细胞可以借助网格蛋白或细胞膜内陷介导的内吞作用内化较小的纳米颗粒[27],在这一过程中肌动蛋白发挥重要作用[31]㊂另外,能量依赖性途径也是肠道上皮细胞内吞作用的机制之一[31]㊂最近的研究发现,<3μm的纳米级颗粒可通过非特异性内吞机制内化到非吞噬细胞[31],且可利用内吞作用的微粒粒径上限增加到了5μm[19,21],肠道Peyer斑中丰富的M细胞的内吞作用是粒径上限增加的主要原因[23],此外肠道黏膜的协助也是可能的影响因素之一[32-33];(3)带正电的粒子与质膜的高度结合会增加表面张力并导致膜穿孔或变形[34],从而使纳米级塑料颗粒进入细胞,进而进入血液循环㊂除了被消化道吸收的纳米级塑料颗粒,经呼吸系统进入肺部的MPs和NPs通常会滞留在肺部或者通过毛细血管进入体内循环系统,<2.5μm的塑料颗粒会进入肺部深处或渗透肺泡进入血液循环[35]㊂这些进入血液循环的纳米级塑料颗粒,其中粒径在100nm左右的会被血清白蛋白包围[36],形成多层血清白蛋白冠,可能有助于纳米塑料逃避免疫监视,增加其在血液循环系统的时间,并帮助颗粒到达次级器官并在肝脏㊁肾脏和肠道中积累[36]㊂血清白蛋白与纳米级塑料颗粒的结合导致蛋白质的二级结构发生改变[37],从而增加了塑料颗粒的细胞毒性[27,36]㊂尽管只有小部分纳米级塑料颗粒能够穿透肺泡和胃肠道的上皮屏障,转移到次级组织器官内,但考虑到人类对塑料颗粒的长期接触以及塑料颗粒可能产生积累,这种低比例的内化仍不容忽视,因为它们能够进一步引起一系列毒性效应(图1),包括氧化应激㊁局部炎症㊁细胞凋亡以及肠道菌群的改变[38-41]㊂流行病学调查发现,吸入MPs和NPs会增加对呼吸道刺激的几率,一部分职业性接触MPs和NPs的工人患有间质性肺病,肺组织病理学检查发现,该病是MPs和NPs作为半抗原刺激呼吸道,引发肺泡炎症产生的[42-43]㊂体内研究表明,小鼠摄入MPs后,胃中的幽门螺旋杆菌与MPs相互作用,促进了幽门螺第4期孙凡晰等:微塑料和纳米塑料对胃肠道及肝脏的毒性效应机制研究进展133㊀旋杆菌在胃黏膜上皮细胞的快速定植[12],这种致病菌的大量繁殖导致小鼠胃部炎症的发生㊂肠道菌群的失调也是MPs 产生的毒性效应之一,在多项体外研究中均发现MPs 导致小鼠肠道菌群紊乱,条件致病菌数量增多,同时伴随肠道炎症[44-46]㊂NPs 对肝脏的毒性效应主要表现为糖脂代谢紊乱,NPs 暴露后的小鼠,体内葡萄糖含量升高并伴随糖尿病发生[47],脂肪质量减少,肝脏中甘油三酯和总胆固醇水平下降[48]㊂进入人体的NPs 最终进入并积累在组织内的各种细胞中构成潜在威胁㊂体外研究发现纳米级塑料颗粒可进入细胞,产生毒性效应[10,49]㊂人胃黏膜上皮细胞与NPs 共培养后,发现细胞增殖速率降低,细胞凋亡增加[50]㊂在人肠道细胞中也发现NPs 会导致细胞产生氧化应激[51]㊂尽管目前没有研究证明MPs 和NPs 会通过食物链传递至人体内,但现有的体内外研究已经展现出MPs 和NPs 进入体内产生的不良后果㊂目前MPs 和NPs 积累对人体的毒性效应研究还不深入,因此聚焦于MPs 和NPs 对人体产生的毒性效应机制,对了解MPs 和NPs 对人体健康的影响有重要意义,同时也为今后预防和治疗MPs 和NPs 导致的人体疾病提供科学依据㊂本篇综述将归纳总结MPs 和NPs 对人体胃肠道及肝脏的毒性效应机制,提出目前研究存在的问题和不足以及未来可能的发展方向,为今后研究MPs 和NPs 对人体的毒性效应及机制提供科学依据㊂1㊀引发胃肠道(gastrointestinal tract ,GIT )氧化应激㊁炎症及细胞凋亡的毒性效应机制(Toxic mechanism of oxidative stress ,inflammation andapoptosis in GIT )人体中的MPs 和NPs 经不同的内吞机制进入细胞或吸附聚集在胃肠道组织表面,引起氧化应激和炎症,甚至细胞凋亡,该现象已经在多项体外研究及小鼠的体内研究中得到证实(表1)㊂MPs 和NPs 对人体胃肠道健康的危害日益显现,因此探究MPs 和NPs 对胃肠道的毒性效应机制,为防治MPs 和NPs 引起的胃肠道疾病提供科学依据㊂1.1㊀细胞中的活性氧(reactive oxygen species,ROS)诱导氧化应激的产生(ROS in cells induce the genera -tion of oxidative stress)细胞内拥有一套抗氧化防御系统,可以维持细胞内ROS 的水平,保护重要的生物分子免受自由基的伤害[52-53]㊂细胞中活性氧和氧化应激的增加与抗氧化系统失衡和疾病有关[54]㊂体内外研究表明,MPs 和NPs 暴露后,细胞内ROS 水平升高,一方面是外源颗粒的直接刺激作用诱导细胞内ROS 的产生增加[55];另一方面,MPs 和NPs抑制抗氧化酶转录图1㊀人体中微塑料和纳米塑料的来源㊁分布及影响Fig.1㊀Source,distribution and impact of microplastics and nano -plastics in human body134㊀生态毒理学报第18卷因子的产生或降低抗氧化酶的活性,进而抑制ROS 代谢,使线粒体膜电位增加,导致线粒体通透性和ROS 产生增加,进而加速线粒体中产生的ROS 向胞质转移[17,56]㊂超氧化物歧化酶(SOD)㊁过氧化氢酶(CAT)和谷胱甘肽(GSH)是衡量机体氧化应激程度重要而不可或缺的生物标志物[57]㊂研究发现,聚苯乙烯纳米塑料可导致小鼠十二指肠内过氧化生物标志物水平升高,SOD ㊁CAT 活性和GSH 含量明显降低[58-59];人正常结肠黏膜上皮细胞的体外实验也发现,经NPs 处理的细胞中ROS 水平比未经处理细胞的ROS 水平高[58]㊂因此,MPs 和NPs 可直接促进ROS 产生或通过抑制抗氧化酶活性和谷胱甘肽的产生进而抑制ROS 代谢,间接导致ROS 增加㊂随着MPs 和NPs 与细胞微环境的相互作用,增加的ROS 在MPs 和NPs 颗粒表面沉降,导致细胞产生氧化应激,如果它们不能穿过细胞膜,则会诱导肠道局部炎症[60],如果颗粒足够小,可以穿过肠道上皮细胞,此时位于颗粒表面的ROS 毒性就会增强,介导细胞产生应激反应[61](图2)㊂1.2㊀炎症产生的潜在机制(The underlying mecha -nism of inflammation)胃肠道是MPs 和NPs 经摄入途径进入人体后发生积累的组织器官,MPs 和NPs 带来的机械损伤或刺激很容易造成胃肠道的炎症反应[12,44],炎症反应的产生机制可以分为2个方面:(1)促炎细胞因子释放产生的炎症反应[12];(2)肠道菌群失调,条件致病菌增多,导致免疫失衡以及脂多糖含量增加刺激炎症产生[46,62]㊂MPs 和NPs 可通过2种机制诱导促炎细胞因子释放(图2),一种机制是MPs 和NPs直接刺激产图2㊀引起胃肠道(GIT )氧化应激㊁炎症及细胞凋亡的潜在机制注:微塑料和纳米塑料一方面直接刺激细胞产生ROS ,另一方面调控细胞抗氧化系统抑制ROS 代谢从而导致ROS 激增,诱导氧化应激的产生;微塑料和纳米塑料可直接刺激细胞产生炎症细胞因子或通过氧化应激诱导炎症反应,产生的炎症反应和氧化应激最终导致细胞凋亡㊂Fig.2㊀Potential mechanisms causing oxidative stress,inflammation and apoptosis in the gastrointestinal tract (GIT)Note:On the one hand,microplastics and nano -plastics directly stimulate cells to produce ROS,on the other hand,they regulate cellular antioxidant system to inhibit ROS metabolism and lead to ROS surge,resulting in a surge of ROS and inducing oxidative stress;microplastics and nano -plastics can directly stimulate cells to produce inflammatory cytokines or induce inflammatory response through oxidative stress;the resulting inflammatory response and oxidative stress eventually lead to cell apoptosis.第4期孙凡晰等:微塑料和纳米塑料对胃肠道及肝脏的毒性效应机制研究进展135㊀表1㊀微塑料和纳米塑料对胃肠道及肝脏产生的毒性效应及机制T a b l e 1㊀T o x i c e f f e c t s a n d m e c h a n i s m o f m i c r o p l a s t i c s a n d n a n o -p l a s t i c s o n h u m a n b o d y器官/细胞O r g a n s /C e l l s 聚合物P o l y m e r 剂量D o s e毒性效应T o x i c i t y e f f e c t 产生机制G e n e r a t i o n m e c h a n i s m体内研究(小鼠)I n v i v o s t u d i e s (m i c e )肝脏㊁结肠㊁回肠和盲肠内容物[13]L i v e r ,c o l o n ,i l e u m a n dc e c u m c o n t e n t s[13]P S100,1000μg ㊃L -1脂质代谢紊乱D i s o r d e r o f l i p i d m e t a b o l i s m肠道屏蔽功能障碍I n t e s t i n a l s h i e l d i n g d y s f u n c t i o n肠道菌群改变C h a n g e s i n i n t e s t i n a l f l o r a胃[12]S t o m a c h [12]P E100μg ㊃m L -1促进幽门螺旋杆菌在胃黏膜上皮细胞快速定植P r o m o t e t h e r a p i d c o l o n i z a t i o n o f H e l i c o b a c t e rp y l o r i i n g a s t r i c m u c o s a l e p i t h e l i a l c e l l s胃部损伤及炎症G a s t r i c i n j u r y a n d i n f l a m m a t i o n髓过氧化物酶表达增加I n c r e a s e d e x p r e s s i o n o fm y e l o p e r o x i d a s eI L -6和T N F -α表达上调U p -r e g u l a t i o n o f I L -6a n d T N F -α结肠和十二指肠[44]C o l o n a n d d u o d e n u m [44]P E6,60,600μg ㊃d -1肠道炎症I n t e s t i n a l i n f l a m m a t i o n I L -1α表达上调U p -r e g u l a t i o n o f I L -1α肠道菌群改变C h a n g e s i n i n t e s t i n a l f l o r a免疫失衡I m m u n e i m b a l a n c eT L R 4㊁A P -1和I R F 5表达上调U p -r e g u l a t i o n o f T L R 4,A P -1a n d I R F 5结肠[45]C o l o n [45]P S500μg ㊃L -1肠道屏障受损和肠道炎症I m p a i r e d i n t e s t i n a l b a r r i e r a n d i n t e s t i n a l i n f l a m m a t i o n肠道致病菌增加I n c r e a s e d i n t e s t i n a l p a t h o g e n i c b a c t e r i a干扰肠道微生物代谢I n t e r f e r e n c e w i t h i n t e s t i n a l m i c r o b i a l m e t a b o l i s m免疫失衡I m m u n e i m b a l a n c e肠道菌群改变C h a n g e s i n i n t e s t i n a l f l o r a炎症因子(T N F -α㊁I L -1β和I F N -γ)表达上调U p -r e g u l a t i o n o f i n f l a m m a t o r y f a c t o r s(T N F -α,I L -1βa n d I F N -γ)136㊀生态毒理学报第18卷续表1器官/细胞O r g a n s /C e l l s 聚合物P o l y m e r 剂量D o s e毒性效应T o x i c i t y e f f e c t产生机制G e n e r a t i o n m e c h a n i s m 小肠和盲肠[46]S m a l l i n t e s t i n e s a n d c e c u m[46]P E5.25ˑ104p a r t i c l e s ㊃d -1肠道通透性增加I n c r e a s e d i n t e s t i n a l p e r m e a b i l i t y肠道炎症I n t e s t i n a l i n f l a m m a t i o n代谢紊乱M e t a b o l i c d i s o r d e r s改变肠道菌群组成C h a n g e s i n t h e c o m p o s i t i o n o f i n t e s t i n a l f l o r a能量代谢和免疫功能相关细菌相对丰度减少R e d u c i n g t h e r e l a t i v e a b u n d a n c e o f b a c t e r i a r e l a t e d t oe n e r g y m e t a b o l i s m a n d i m m u n ef u n c t i o n氧化应激㊁免疫应答和脂质代谢相关基因表达下调D o w n -r e g u l a t i o n o f g e n e s r e l a t e d t oo x i d a t i v e s t r e s s ,i m m u n e r e s p o n s e a n d l i p i d m e t a b o l i s m肝㊁结肠㊁盲肠内容物㊁回肠[48]L i v e r ,c o l o n ,c e c u m c o n t e n t s a n d i l e u m[48]P S100,1000μg ㊃L -1减少肠道黏液分泌D e c r e a s e d s e c r e t i o n o f i n t e s t i n a l m u c u s损害肠道屏障功能D a m a g e t o i n t e s t i n a l b a r r i e r f u n c t i o n肠道微生物群失调和代谢紊乱D y s b i o s i s o f t h e g u t m i c r o b i o m e a n d m e t a b o l i c d i s o r d e r s/小肠和结肠[68]S m a l l i n t e s t i n e s a n d c o l o n[68]P S0.2m g ㊃k g -1肠道屏障功能损伤I n t e s t i n a l b a r r i e r d y s f u n c t i o n条件致病菌增多,紧密连接促进功能微生物减少I n c r e a s e d o p p o r t u n i s t i c p a t h o g e n s a n d d e c r e a s e dt i g h t j u n c t i o n p r o m o t i n g f u n c t i o n a l m i c r o o r g a n i s m s紧密连接蛋白表达下调D o w n -r e g u l a t i o n o f t i g h t j u n c t i o n p r o t e i n e x p r e s s i o n肠道菌群改变C h a n g e s i n i n t e s t i n a l f l o r a肝脏和小肠[47]L i v e r a n d s m a l l i n t e s t i n e s [47]P S55μg ㊃d -1胰岛素抵抗I n s u l i n r e s i s t a n c e糖尿病D i a b e t e s m e l l i t u s肠-肝轴代谢串扰M e t a b o l i c c r o s s t a l k o f g u t -l i v e r a x i s肝脏和盲肠[69]L i v e r a n d c e c u m [69]P S100,1000μg ㊃L -1肝脏质量减少R e d u c e d l i v e r w e i g h t肠道黏液分泌减少D e c r e a s e d s e c r e t i o n o f i n t e s t i n a l m u c u s肝脏中甘油三酯和总胆固醇水平下降,脂质紊乱D e c r e a s e d t r i g l y c e r i d e a n d t o t a l c h o l e s t e r o l l e v e l s a n dl i p i d d i s o r d e r s i n t h e l i v e r肠道菌群改变C h a n g e s i n i n t e s t i n a l f l o r a肝脏中合成脂肪和甘油三酯的相关基因的相对m R N A 水平下降D e c r e a s e d r e l a t i v e m R N A l e v e l s o fg e n e s i n v o l v e d i n t h e s y n t h e s i s o f f a t s a n d t r i g l y c e r i d e s i n t h e l i v e r第4期孙凡晰等:微塑料和纳米塑料对胃肠道及肝脏的毒性效应机制研究进展137㊀续表1器官/细胞O r g a n s /C e l l s 聚合物P o l y m e r 剂量D o s e 毒性效应T o x i c i t y e f f e c t 产生机制G e n e r a t i o n m e c h a n i s m肝脏[70]L i v e r [70]P S 0.5m g ㊃d-1影响肝脏免疫微环境A f f e c t t h e l i v e r i m m u n e m i c r o e n v i r o n m e n t肝脏局部组织炎症L o c a l t i s s u e i n f l a m m a t i o n i n t h e l i v e r增加N K 细胞和巨噬细胞的免疫浸润,减少B 细胞的免疫浸润I n c r e a s e d i m m u n e i n f i l t r a t i o n o f N K c e l l s a n d m a c r o p h a g e sa n d d e c r e a s e d i m m u n e i n f i l t r a t i o n o f B c e l l s谷丙转氨酶和谷草转氨酶表达增加I n c r e a s e d e x p r e s s i o n o f a l a n i n e a m i n o t r a n s f e r a s ea n d a s p a r t a t e a m i n o t r a n s f e r a s e激活N F -κB 信号通路A c t i v a t i o n o f t h e N F -κB s i g n a l i n g p a t h w a y体外研究I n v i t r o s t u d i e s人胃腺癌细胞[64]H u m a n g a s t r i c a d e n o c a r c i n o m a c e l l s [64]P S2~30μg ㊃m L -1影响细胞活力和形态D e c r e a s e d c e l l v i a b i l i t y a n d m o r p h o l o g y炎症I n f l a m m a t i o nI L -6和I L -8表达上调U p r e g u l a t i o n o f I L -6a n d I L -8人胃黏膜上皮细胞[50]H u m a n g a s t r i c m u c o s a l e p i t h e l i a l c e l l s[50]P S50μg ㊃m L -1细胞增殖速率降低D e c r e a s e d c e l l p r o l i f e r a t i o n r a t e细胞凋亡增加I n c r e a s e d c e l l a p o p t o s i s/人结肠腺癌细胞[17,56]H u m a n c o l o n a d e n o c a r c i n o m a c e l l s [17,56]P S0~200μg ㊃m L -1,0.01~100μg ㊃m L -1降低细胞活力氧化应激和炎症D e c r e a s e d c e l l v i a b i l i t y ;o x i d a t i v e s t r e s s a n d i n f l a m m a t i o n线粒体凋亡M i t o c h o n d r i a l a p o p t o s i sH S P 70㊁H O 1表达上调,I L -1β表达上调T h e e x p r e s s i o n o f H S P 70a n d H O 1w a s u p -r e g u l a t e d ,a n d t h e e x p r e s s i o n o f I L -1βw a s u p -r e g u l a t e d线粒体膜电位增加T h e m i t o c h o n d r i a l m e m b r a n e p o t e n t i a l i n c r e a s e d138㊀生态毒理学报第18卷续表1器官/细胞O r g a n s /C e l l s 聚合物P o l y m e r 剂量D o s e毒性效应T o x i c i t y e f f e c t 产生机制G e n e r a t i o n m e c h a n i s m 人胃癌细胞株[66]H u m a n g a s t r i c c a r c i n o m a c e l l l i n e [66]P S0.1~100μg ㊃m L -1降低细胞活力D e c r e a s e d c e l l v i a b i l i t y诱导细胞凋亡或坏死A p o p t o s i s o r n e c r o s i s w a s i n d u c e d破坏细胞膜完整性D i s r u p t i o n o f c e l l m e m b r a n e i n t e g r i t y ;b a x 表达上调U p -r e g u l a t i o n o f b a x e x p r e s s i o nC a s p a s e -3和C a s p a s e -8蛋白酶表达增加T h e e x p r e s s i o n o f C a s p a s e -3a n dC a s p a s e -8p r o t e a s e w a s i n c r e a s e d人结肠腺癌细胞[51]H u m a n c o l o n a d e n o c a r c i n o m a c e l l s [51]P S100μg ㊃m L -1氧化应激O x i d a t i v e s t r e s s改变氧化应激相关基因表达A l t e r e d e x p r e s s i o n o f o x i d a t i v e s t r e s s -r e l a t e d g e n e sH O 1和S O D 2转录水平显著增加H O 1a n d S O D 2t r a n s c r i p t l e v e l s w e r e s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e d人多能干细胞产生的肝脏类器官[40]L i v e r o r g a n o i d s [40]P S0.25~25μg ㊃m L -1破坏代谢酶的功能,增加脂质积累D i s r u p t t h e f u n c t i o n o f m e t a b o l i ce n z y m e s ;i n c r e a s e d l i p i d a c c u m u l a t i o nR O S 生成㊁氧化应激和炎症反应R O S p r o d u c t i o n ;o x i d a t i v e s t r e s sa n d i n f l a m m a t o r y r e s p o n s e肝细胞毒性H e p a t o t o x i c i t yA S L 和A L T 释放增加T h e r e l e a s e o f A S L a n d A L T i n c r e a s e d破坏肝功能相关基因表达D i s r u p t i o n o f g e n e e x p r e s s i o n r e l a t e d t o l i v e r f u n c t i o nH N F 4A 和C Y P 2E 1表达上调T h e e x p r e s s i o n o f H N F 4A a n d C Y P 2E 1w a s u p -r e g u l a t e dI L -6和C O L 1A 1表达上调U p -r e g u l a t e d e x p r e s s i o n o f I L -6a n d C O L 1A 1注:P S 表示聚苯乙烯;P E 表示聚乙烯;R O S 表示活性氧自由基;A S L 表示精氨琥珀酸裂解酶;A L T 表示谷丙转氨酶;I L -6表示白细胞介素6;I L -8表示白细胞介素8;I L -1β表示白细胞介素1β;I L -1α表示白细胞介素1α;T N F -α表示肿瘤坏死因子α;I F N -γ表示γ干扰素㊂N o t e :P S m e a n s p o l y s t y r e n e ;P E m e a n s p o l y e t h y l e n e ;R O S m e a n s r e a c t i v e o x i d e s p e c i e s ;A S L m e a n s a r g i n i n o s u c c i n a t e l y a s e ;A L T m e a n s a l a n i n e t r a n s a m i n a s e ;I L -6m e a n s i n t e r l e u k i n -6;I L -8m e a n s i n t e r l e u k i n -8;I L -1βm e a n s i n t e r l e u k i n -1β;I L -1αm e a n s i n t e r l e u k i n -1α;T N F -αm e a n s t u m o r n e c r o s i s f a c t o r α;I F N -γm e a n s i n t e r f e r o n -γ.第4期孙凡晰等:微塑料和纳米塑料对胃肠道及肝脏的毒性效应机制研究进展139㊀生促炎细胞因子㊂在小鼠体内实验中,IL-6和TNF-α升高促进小鼠胃部损伤及炎症[12]㊂在体外研究中,MPs和NPs处理后的胃上皮细胞和小肠上皮细胞均发现促炎反应相关基因(如IL-1β㊁IL-6㊁IL-8)发生不同程度的基因表达上调[63-64],导致促炎细胞因子释放增多㊂另一种机制是氧化应激促进炎症发生,通过氧化应激激活NF-κB㊁p53㊁PPAR-γ和Nrf2等多种转录因子,而这些转录因子可以调控炎症细胞因子的表达[65],从而增加促炎细胞因子的释放㊂体内研究表明,MPs和NPs会导致小鼠胃肠道菌群紊乱㊂MPs和NPs通过与幽门螺旋杆菌相互作用促进其在胃黏膜上皮细胞表面快速定植[12],提高NPs进入组织的效率,促进炎症发生[12]㊂MPs和NPs引起肠道菌群失调,特别是免疫功能相关的细菌相对丰度显著减少[46],致病菌的菌群数量增加,降低CD4+细胞的Th17/Treg细胞百分比,导致免疫失衡,同时血浆脂多糖含量增加[62],刺激肠道炎症产生[45],还有研究发现,肠道菌群失调后,小鼠体内TLR4㊁AP-1和IRF5基因表达上调,以此介导肠道炎症反应[44]㊂1.3㊀细胞凋亡产生的潜在机制(Potential mecha-nisms of apoptosis)内源性和外源性因子均可导致DNA损伤,已有研究发现粒径足够小的NPs可穿过核膜直接造成DNA损伤㊂另外MPs和NPs导致细胞内ROS 水平激增引起的氧化应激也是导致DNA损伤的原因,若DNA损伤修复不及时则诱导细胞凋亡的发生㊂在体外实验中经常可以观察到由氧化应激引起的细胞凋亡[63,66],氧化应激引起细胞凋亡的同时还伴随线粒体膜电位的升高㊂一项以HaCaT细胞为模型的研究发现,在体外模拟氧化应激的条件下,细胞内INF2表达增加,导致线粒体中的ROS超负荷,打破细胞氧化还原平衡,改变线粒体膜电位,引起线粒体应激,同时抑制HIF-1信号通路介导细胞凋亡[67]㊂Bcl-2相关X蛋白(Bcl2-associated X,Bax)是Bcl-2蛋白家族的成员,它可以调节凋亡诱导因子的释放,bax的过表达可能是细胞凋亡发生的另一个原因[66]㊂此外,Bax还可调节线粒体外膜的透化作用,其表达的增加使线粒体膜通透性增加,从而促使凋亡因子从线粒体释放到细胞质中,激活半胱天冬酶,导致细胞凋亡㊂事实上,Bax的N端乙酰化参与了其线粒体靶向作用,因此bax基因表达的上调导致线粒体膜通透性增加,使线粒体内ROS外溢,导致细胞中ROS激增进而引发凋亡㊂另外,MPs和NPs导致的炎症反应最终也会引发细胞凋亡㊂综上所述,MPs和NPs引起氧化应激㊁炎症及细胞凋亡的机制为:ROS产生增加或ROS代谢减少造成细胞内ROS激增,引起DNA损伤和氧化应激;胃肠道菌群失调引起的免疫失衡以及炎症相关细胞因子表达上调导致炎症反应发生;氧化应激和炎症反应最终会导致细胞凋亡,此外MPs和NPs还可使促凋亡相关基因过表达直接导致细胞凋亡(图2)㊂2㊀引发肝脏糖脂代谢紊乱的毒性效应机制(Toxic effect mechanism of liver glucose and lipid metabo-lism disorder)肝脏是人体重要的排毒解毒器官,MPs和NPs 经食物进入人体后聚集在胃肠道上皮细胞表面,纳米级塑料颗粒则被上皮细胞吸收进入淋巴和血液循环,最终经门静脉到达肝脏[11],相关研究还发现NPs 富集后,会扰乱肝脏组织的糖脂代谢[47,69],在人类肝脏类器官的体外研究中也发现了类似的毒性效应(表1)㊂目前,越来越多的研究聚焦于NPs造成肝脏组织糖脂代谢紊乱的毒性机制[13,47,62],主要是从生化和转录组学方面展开分析,发现NPs会从生化和转录水平影响糖脂代谢,其机制大致可以总结为以下2点:(1)在生化水平上影响糖代谢中间代谢物的产生(图3);(2)在转录水平上影响糖脂代谢中关键/限速酶的产生(图4)㊂2.1㊀在生化水平上影响糖脂代谢中间代谢物的产生(Affecting the production of intermediate metabolites for glycolipid metabolism at the biochemical level) NPs会通过影响中间代谢物的产量继而对糖脂代谢造成影响㊂丙酮酸是糖酵解途径的重要中间代谢物,也是连接糖脂代谢的重要枢纽,其产量的增加可能是丙酮酸激酶(PK)和磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(PEPckc)的水平升高所致[69,71-72],可促进糖代谢向脂质代谢的转化,导致脂肪酸产生增加;肝脏内葡萄糖和胆固醇水平的升高,则可能增加人体罹患Ⅱ型糖尿病㊁高血脂和脂肪肝的风险[71]㊂研究发现,摄入NPs后,肝脏组织内参与糖代谢调控的重要因子和催化酶的生化水平会发生改变,小鼠在摄入NPs后其肝脏细胞中碳水化合物调节元件结合蛋白(ChREBP)的表达量显著降低[69],该蛋白通过抑制PK 和A TP-柠檬酸裂解酶(ACL)的产生,阻碍葡萄糖转化为乙酰辅酶A,使肝脏中的糖原不断积累,增加人体罹患Ⅱ型糖尿病的风险[73]㊂此外ChREBP合成的减少140㊀生态毒理学报第18卷还会导致棕榈酸-5-羟基硬脂酸的合成量减少,研究表明棕榈酸-5-羟基硬脂酸可以增加脂肪组织中胰岛素的敏感性[74],还可以通过激活G 蛋白偶联受体40(GPR40)增加胰岛素的分泌[75],因此NPs 直接导致ChREBP 表达降低后,间接抑制了胰岛素的敏感性和分泌量,进而阻碍糖酵解途径,导致糖代谢紊乱[76],还有研究发现,NPs 可增加组织中乳酸脱氢酶(LDH)和柠檬酸合酶(CS)的活性,这2种酶是参与糖酵解和糖异生的关键酶,其活性增加导致糖代谢紊乱,但目前关于NPs 影响酶活性的具体机制尚不明确[77]㊂在影响脂质代谢方面,NPs 造成ChREBP 表达量的降低导致肝细胞中成纤维细胞生长因子21(FGF21)的合成量下降,从而抑制了FGF21通过加速脂肪组织中脂蛋白分解降低血浆甘油三酯的功能,因此血浆中甘油三酯堆积,导致人体患高血脂的风险增加[78-79]㊂血液中的游离脂肪酸进入肝细胞后帮助肝脏组织内脂肪酸的合成,但有研究发现,NPs处理肝细胞后,脂肪酸转运蛋白2(FATP2)和脂肪酸转运体(FAT)合成量降低[69],因此阻碍了血液中的脂肪酸向肝脏运输,间接阻碍了肝脏脂肪酸的合成;同时还有研究发现,NPs 处理肝细胞后,载脂蛋白和脂肪酸结合蛋白6(FABP6)的合成量显著升高,这2个蛋白参与脂肪酸的转运出胞过程,因此肝脏脂肪酸的水平降低使得甘油三酯的合成不足,间接影响脂图3㊀在生化水平影响糖脂代谢的潜在机制注:在生化水平,纳米塑料通过抑制ChREBP 的合成进而抑制丙酮酸激酶㊁ATP 柠檬酸裂解酶㊁棕榈酸-5-羟基硬脂酸产生,阻碍了乙酰辅酶A 的合成,发生胰岛素抵抗,导致葡萄糖含量升高,最终导致Ⅱ型糖尿病风险增加;ChREBP 的合成减少还会抑制成纤维细胞因子21的合成,减少脂蛋白分解,从而增加血浆中甘油三酯的含量,最终导致高血脂;纳米塑料还通过抑制脂肪酸转运体和脂肪酸转运蛋白2的合成,激活载脂蛋白和脂肪酸结合蛋白6的合成,使肝细胞中脂肪酸合成减少㊁转出增多,导致脂肪储存减少,最终增加脂肪营养不良综合征的风险;ChREBP 表示碳水化合物调节元件结合蛋白㊂Fig.3㊀Potential mechanisms affecting glucose and lipid metabolism at the biochemical levelNote:At the biochemical level,nano -plastics inhibit the synthesis of ChREBP and then inhibit the production of pyruvate kinase,ATP citrate lyase,and palmitic acid -5-hydroxystearic acid,which hinder the synthesis of acetyl -CoA and lead to insulin resistance,leading to the increase of glucose content,and ultimately leading to the increased risk of type 2diabetes;the decreased synthesis of ChREBP can also inhibit the synthesis of fibroblastfactor 21and reduce the decomposition of lipoproteins,thereby increasing the content of triglyceride in plasma and eventually leading to hyperlipidemia;nano -plastics also inhibit the synthesis of fatty acid transporter and fatty acid transporter 2,activate the synthesis of apolipoprotein and fatty acid binding protein 6,reduce the synthesis of fatty acid and increase the export of fatty acid in hepatocytes,resulting in the reduction of fatstorage and ultimately increasing the risk of lipodystrophy syndrome;ChREBP means carbohydrate regulatory element -binding proteins.。
