李兰娟院士团队揭示聚乳酸微纳米塑料可诱导肝脏毒性

近日，浙江大学李兰娟教授（中国工程院院士）团队在Environmental Science and Ecotechnology期刊在线发表了题为“Polylactic acid micro/nanoplastic-induced hepatotoxicity: Investigating food and air sources via multi-omics”的研究论文，该研究深入探讨了聚乳酸（PLA）微/纳米塑料（MNPs）对肝脏的潜在毒性，并通过多组学技术（代谢组+转录组+微生物组）全面分析了食物和空气中的塑料微粒对健康的威胁。研究表明，无论是经口摄入还是吸入的聚乳酸微纳米塑料，均可分别通过“肠道菌群-肠-肝”轴和“气道菌群-肺-肝”轴，引发一系列的生理反应，最终导致一定的肝脏毒性。这一发现揭示了PLA MNPs对人体健康的复杂影响机制。

一、研究背景：

微/纳米塑料（MNPs）已经在环境和生物体中被广泛发现，聚乳酸（PLA）因其高生物相容性，已被应用于食品包装材料。研究显示，PLA口罩和商业茶袋可释放微塑料和纳米塑料，这些颗粒可能通过呼吸道和食物链进入人体，影响肠道菌群、呼吸道以及肝脏的健康。虽然聚苯乙烯和聚乙烯微塑料已被证实会导致肠道菌群失调和肝脏毒性，但关于PLA MNPs的毒性研究还不够充分，特别是在呼吸道和肝脏方面。随着PLA的应用越来越广泛，进一步研究PLA MNPs的健康影响非常重要。

二、研究思路：

本研究使用了60只4周龄、无病原体的ICR小鼠，将其分为六组：源性纳米塑料组（FQ）、食源性微塑料组（FR）、食源性对照组（FNC）、空气源性纳米塑料组（AQ）、空气源性微塑料组（AR）和空气源性对照组（ANC），每组10只。实验中，小鼠通过口服和鼻腔暴露分别接触PLA纳米塑料（NPs，50纳米）和微塑料（MPs，5 微米）。采用多组学方法评估PLA MNPs对肝脏的毒性作用。

在食源性MNPs实验中，FQ组、FR组和FNC组的小鼠每天灌胃100 微升无菌水，分别含有0.2毫克NPs、0.2毫克MPs和0毫克MNPs，连续6周。实验结束后，麻醉小鼠并收集血液、肝脏、粪便和结肠样本。在空气暴露MNPs实验中，AQ组、AR组和ANC组的小鼠每3天经鼻给予10 微升无菌生理盐水，分别含有0.03毫克NPs、0.03毫克MPs和0毫克MNPs，连续42天。实验结束后，麻醉小鼠并收集鼻组织、肺、肝脏和血液样本。

三、研究结果：

1. PLA MNPs可引起肝功能紊乱、氧化应激变化以及肝/肺组织病理改变

与对照组相比，小鼠血清中的AST和ALT水平在暴露于食源性和空气源性的PLA MNPs后均显著上升。但值得注意的是，食源性MNPs引发的AST和ALT增高幅度显然超过空气中的MNPs。此外，食源性与空气源性MNPs均导致血清T-AOC和SOD水平的明显下降，其中食源性MNPs使这些指标的降低程度明显高于空气源性MNPs。同时，肝脏病理显示，PLA MNPs无论来自食物还是空气，都会对小鼠产生一定程度的肝脏毒性。

2. 食物和空气中的PLA MNPs对小鼠菌群组成的影响

在研究中发现，食源性PLA MNPs会显著改变肠道微生物群的组成和功能。具体而言，厚壁菌门在食物暴露组中占主导地位，而在食物暴露组的肠道网络中，Lachnospiraceae家族的细菌最为丰富。此外，食源性MNPs还改变了肠道微生物的网络结构，并上调了多种功能通路，如“ABC转运蛋白”、“鞭毛组装”和“细菌趋化性”。

空气源性MNPs则主要影响鼻腔和肺部微生物群，鼻腔和肺部微生物的组成、网络结构及功能通路也出现了明显变化。空气暴露组中，鼻腔和肺部的支配细菌包括未分类的Muribaculaceae和Klebsiella，而功能通路如“鞭毛组装”和“细菌趋化性”也显著上调。这些结果表明，食源性和空气源性MNPs都会显著影响不同部位的微生物群及其功能。

3. 食源性和空气源性PLA MNPs对小鼠代谢组和转录组的影响

研究表明，食源性和空气源性PLA MNPs会导致小鼠的肠道、血清和肺部代谢发生显著变化。食物暴露组（FQ和FR）的肠道和血清代谢物分别有数百种发生改变，涉及类固醇激素合成、癌症中的碳代谢、蛋白质消化等代谢通路。此外，FQ和FR组的肝脏转录组分析显示昼夜节律等多条基因通路显著上调。

空气暴露组（AQ和AR）同样表现出代谢物和基因表达的变化，特别是肺部和血清中，富集的通路包括花生四烯酸代谢、蛋白质消化吸收等。研究还发现，昼夜节律通路在所有暴露组的肝脏中普遍上调。

4. 多组学联合分析

研究通过多组学联合分析揭示了PLA MNPs暴露下的相关网络和组学差异。在食物来源的NP（FQ）和MP（FR）组中，关键的相关门槛因子包括FQ组的基因Gm1673和FR组的基因cyp2b9、klhdc7b及代谢物bacterioruberin diglucoside。食源性NP和MP组之间在肠道菌群、代谢物及相关通路上表现出明显的差异，例如FQ组在“ABC转运蛋白”和Lachnospiraceae_A2方面较为显著，而FR组则在“氧化磷酸化”和Roseburia方面表现突出。

在空气源性PLA NP（AQ）和MP（AR）组中，关键的相关门槛因子包括AQ组的zfp804b和AR组的代谢物11-cis-3,4-didehydroretinol。两组在肺部代谢物和相关通路上也存在差异，例如AQ组的“花生四烯酸代谢”和“类固醇激素合成”较为显著，而AR组则在“嘌呤代谢”和“D-氨基酸代谢”方面表现突出。此外，两组的血清代谢物及肝脏相关通路也存在差异，如AQ组的“ABC转运蛋白”和AR组的“中心碳代谢在癌症中的作用”。这些差异表明了不同MNPs暴露对生物体内各组学层面的影响和特征。

研究小结：

本研究首次系统性地探讨了食源性和空气源性PLA MNPs对小鼠的毒性作用。结果显示，食源性和空气源性生物可降解PLA MNPs能够通过不同途径对小鼠造成一定程度的肝脏毒性。食源性PLA MNPs主要通过“肠道菌群-肠-肝”轴引发肝毒性，而空气源性PLA MNPs则通过“气道菌群-肺-肝”轴导致肝毒性。这些发现对PLA MNPs所引发肝毒性的诊断和评估具有重要参考价值。同时，相关结果显示部分环境友好型生物可降解材料在其降解前仍可对机体造成一定的毒性作用，提示生物可降解材料在未来仍需合理应用。