《ACS Environmental Au》：Ferroptosis and Wnt/β-Catenin Signaling Triggered by Environmentally Relevant Nanoscale Polypropylene Plastics in Human Intestinal Models
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为解决真实环境中经老化过程形成的纳米塑料对肠道健康影响研究不足的问题，研究人员利用激光烧蚀制备的环境相关纳米聚丙烯参考材料（NPPP-1），在人类小肠类器官（HSIOs）和肠上皮细胞模型中开展了研究。他们发现NPPP-1可诱导氧化应激、脂质过氧化，进而激活铁死亡、细胞凋亡和焦亡等多种程序性细胞死亡通路。引人注目的是，NPPP-1还能激活Wnt/β-连环蛋白通路，作为减轻铁死亡应激的补偿性保护机制。这项发表于《ACS Environmental Au》的研究强调了使用真实环境纳米塑料和先进三维类器官系统评估人类健康风险的重要性，揭示了老化塑料表面化学在毒性驱动中的关键作用。
随着塑料制品在日常生活中的广泛使用，微塑料和纳米塑料在食品、水甚至空气中被日益频繁地检出，引发了人们对其潜在健康风险的深切担忧。其中，肠道作为人体与环境接触的重要黏膜屏障，是塑料颗粒进入体内和累积的关键位点。一个重要的科学问题是：我们在环境中实际接触到的塑料，与实验室中常用的、未经老化的、表面光滑的合成塑料颗粒，对生物体的影响是一样的吗？答案很可能是否定的。现实中的塑料在阳光、机械磨损、氧化等多种环境因素作用下会发生显著变化，表面变得粗糙并带有更多含氧官能团。然而，绝大多数实验室研究仍依赖于形状规则、表面原始的合成塑料颗粒，这无疑限制了我们对真实世界暴露风险的理解。此外，以往的研究多采用二维单层细胞模型，无法复现人体肠道复杂的三维结构和细胞间相互作用。为了弥合这些关键的认知鸿沟，一项发表在《ACS Environmental Au》上的研究应运而生。研究者们独辟蹊径，没有使用传统的合成方法，而是采用飞秒激光烧蚀技术，制备了一种名为NPPP-1的纳米级聚丙烯参考材料。NPPP-1不仅在尺寸和形态上（不规则的片状/片状形态）更接近环境中经老化的塑料碎片，其表面也富含含氧官能团，特别是与光氧化聚丙烯相似的羰基基团，堪称“环境模拟物”。研究者将NPPP-1与原始合成的聚丙烯纳米颗粒（SynPP）及经紫外线（UV）加速老化的合成颗粒（SynPP-UVd16）进行对比，并将其暴露于人类小肠类器官（HSIOs，一种三维细胞培养模型，能更好模拟肠道结构和功能）和二维肠上皮细胞。他们的发现揭示了环境老化纳米塑料对肠道上皮细胞造成的双重动态影响：一方面，它通过氧化应激诱发破坏性的细胞死亡；另一方面，肠道细胞自身也会启动一个关键的再生信号通路来进行“自我修复”。
为了探究上述问题，研究者们综合运用了多项关键技术。首先，他们通过飞秒激光烧蚀 和有机溶剂沉淀法 分别制备了环境相关的NPPP-1 和合成/紫外线老化的SynPP 系列纳米颗粒。在模型系统上，核心使用了能更好模拟体内肠道环境的人类小肠类器官（HSIOs，来自人十二指肠原代组织） 以及二维肠上皮细胞系（HIEC-6和Caco-2） 进行暴露实验。在生物学效应评估中，研究者利用细胞活力检测、活性氧（ROS）检测、基因表达分析 等多种方法，系统评估了氧化应激、炎症和程序性细胞死亡。尤为关键的是，他们通过免疫组织化学 和显微红外光谱成像 结合原子力显微镜 的关联成像技术，在无需荧光标记的情况下，直接在组织切片中原位检测并证实了NPPP-1在类器官上皮细胞内的摄取，建立了颗粒存在与生物效应之间的直接联系。在通路机制研究中，铁死亡抑制剂（Ferrostatin-1） 和Wnt/β-连环蛋白通路抑制剂（XAV939） 的药理学干预实验，为阐明细胞死亡类型和补偿性通路的功能提供了直接证据。
材料特异性对肠道模型活力的影响
在相同颗粒数量暴露浓度下，三种聚丙烯纳米颗粒对人类小肠类器官活力的影响存在显著差异。环境相关的NPPP-1导致了最强的细胞活力下降，而紫外线老化的SynPP-UVd16毒性次之，原始合成SynPP的影响最弱。傅里叶变换红外光谱证实，NPPP-1和SynPP-UVd16表面均存在羰基峰，这表明其表面氧化状态与环境中老化的塑料相似，而这种氧化状态很可能增强了其生物活性和毒性。有趣的是，在二维细胞模型中，只有NPPP-1在非转化细胞HIEC-6中显示出明显的细胞毒性，而在Caco-2细胞中，三种颗粒均未影响活力，这提示了三维类器官模型在检测塑料毒性方面可能具有更高的敏感性。
NPPP-1诱导氧化失衡、DNA损伤和炎症信号
暴露于NPPP-1的人类小肠类器官和上皮细胞内，活性氧水平急剧升高。作为氧化应激标志物的血红素加氧酶1（HO1）蛋白表达显著上调。在基因层面，抗氧化基因Sod1和促炎基因Tnfa、Il1b、Caspase1的mRNA表达均被诱导升高。此外，免疫荧光检测显示，DNA氧化损伤的标志物8-羟基脱氧鸟苷在NPPP-1处理的类器官中线粒体区域显著增加。这些结果表明，NPPP-1在肠道模型中引发了强烈的氧化应激，并触发了伴随的炎症反应和DNA损伤。
NPPP-1在HSIOs中触发程序性细胞死亡通路
氧化应激的直接后果之一是引发程序性细胞死亡。研究发现，NPPP-1暴露导致脂质过氧化的终产物丙二醛浓度显著增加，这是铁死亡的关键特征。使用铁死亡特异性抑制剂Ferrostatin-1可以部分恢复细胞活力，证明了铁死亡是NPPP-1诱导细胞死亡的主要驱动因素。同时，细胞凋亡的执行蛋白酶Caspase 3/7的活性也显著升高。有趣的是，在三维类器官中，与焦亡相关的Caspase1基因表达也被上调，但在二维HIEC-6细胞中未检测到Caspase 1活性，暗示焦亡的激活可能需要更复杂的组织微环境。结论是，NPPP-1通过铁死亡、细胞凋亡，并在三维环境中可能通过焦亡，共同导致了细胞死亡。
环境相关NPPP-1摄取的直接原位证据
为了证实观察到的毒性效应确实源于颗粒的细胞内化，研究者创新性地将显微红外光谱成像与原子力显微镜 联用。他们先通过机器学习算法处理红外光谱数据，从复杂的生物背景信号中识别出聚丙烯的特征吸收峰（如1376 cm-1处的C-H弯曲振动），并生成显示颗粒定位的热图。随后，在热图指示的“热点”区域进行原子力显微镜高分辨率扫描，观察到了与聚丙烯颗粒尺寸相符的亚微米级结构。这种无标记、原位 的关联成像技术，首次为环境相关纳米塑料在人类肠道类器官中的实际摄取 提供了直接、确凿的物理证据，将颗粒的存在与下游生物学效应紧密关联。
HSIOs激活Wnt/β-连环蛋白信号作为补偿性反应
肠道上皮具有强大的再生能力。研究发现，面对NPPP-1诱导的铁死亡损伤，人类小肠类器官并非只被动承受，而是激活了一个关键的再生通路——Wnt/β-连环蛋白信号通路。免疫荧光显示，NPPP-1处理导致β-连环蛋白发生明显的核转位。定量PCR检测发现，Wnt通路的下游靶基因Axin2的表达显著上调。更重要的是，当使用Ferrostatin-1抑制铁死亡时，Axin2的上调也被减弱，表明Wnt通路的激活是对铁死亡应激的一种响应。功能实验进一步证实了该通路的保护作用：当使用XAV939抑制Wnt/β-连环蛋白通路时，NPPP-1引起的脂质过氧化加剧，细胞活力进一步下降。这表明，肠道上皮细胞在遭受纳米塑料诱导的铁死亡攻击时，会启动Wnt/β-连环蛋白通路作为一种内源性的保护机制，以试图减轻氧化损伤并维持组织稳态。
本研究通过整合环境模拟材料、先进三维类器官模型和多学科交叉技术，系统揭示了环境相关纳米聚丙烯对人类肠道健康构成的潜在风险及其内在分子机制。核心结论是，相较于实验室常用的原始合成塑料，模拟真实环境老化的纳米聚丙烯（NPPP-1）表现出更强的生物毒性。它能有效被肠道上皮细胞内化，引发严重的氧化应激，并主要经由铁死亡途径驱动细胞损伤，同时伴有细胞凋亡。这项研究最突出的发现在于揭示了肠道组织面对此类损伤时的双重动态响应：一方面是氧化应激驱动的 degenerative（退化性）细胞死亡程序；另一方面是激活Wnt/β-连环蛋白这一关键的 regenerative（再生性）信号通路作为补偿性保护反应。这种损伤与修复并存的动态过程，在简单的二维细胞模型中难以完全体现，凸显了使用人类三维类器官 在环境健康风险评估中的优越性和必要性。该工作强调，塑料颗粒的环境老化过程（特别是表面氧化）是其毒性效应的关键决定因素。因此，未来的毒理学研究和风险评估必须超越传统的“原始”塑料模型，纳入更多像NPPP-1这样的“环境相关”参考材料，并结合能更好模拟人体生理复杂性的生物系统，才能更准确、更全面地评估日益严重的塑料污染对人类健康的潜在威胁。
