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食品和饮用水中的微塑料可通过经口暴露进入人体中,对人体肠道产生潜在的健康风险。现有研究表明,微塑料会引起水生生物和小鼠的肠道屏障损伤和炎症反应,并表现出尺寸效应。但是,很少有研究考虑在胃肠道消化过程中消化环境(p H、时间和营养状况等)对微塑料物化特性及其潜在毒性的影响,因此本研究在体外模拟微塑料在胃肠系统(唾液、胃液和小肠液)中的消化过程,并采用体外肠道模型进行了毒性评估。Caco-2细胞是人结肠腺癌细胞,在Transwell上培养一段时间后可分化形成单层细胞模型,有效模拟肠上皮屏障,已被广泛应用于污染物对肠道的转运和毒性研究。本研究选择100 nm和5μm聚苯乙烯微塑料(PS-MPs)作为不同粒径微塑料的代表,基于体外肠道模型探究微塑料肠毒性效应及其机制,具体研究内容包括:1、不同粒径微塑料的Caco-2细胞摄取和毒性研究;2、体外消化前后微塑料对Caco-2单层细胞膜的毒性及其机制研究;3、体外消化前后微塑料与砷对Caco-2单层细胞膜的联合毒性研究。上述研究结果为微塑料及其共存污染物的肠道健康风险评估提供了科学依据和基础信息。(1)针对不同粒径微塑料的潜在Caco-2细胞毒性差异问题,研究发现100nm PS-MPs和5μm PS-MPs都可被Caco-2细胞摄入并定位于溶酶体中,100 nm PS-MPs更容易进入细胞。两种粒径PS-MPs在暴露浓度下均未引起细胞存活率下降和细胞膜损伤,仅在200μg/m L暴露浓度下显著提高细胞内活性氧的水平。当≥20μg/m L时,100 nm PS-MPs积累在溶酶体中并损伤线粒体,从而引起线粒体膜电位的下降;而5μm PS-MPs在1μg/m L浓度时就显著降低线粒体膜电位,毒性效应更显著,可能是因为其从溶酶体中逃逸并进一步破坏溶酶体。两种粒径PS-MPs均显著抑制ABC转运蛋白活性,其中100 nm PS-MPs是ABC转运蛋白的潜在底物。(2)针对微塑料摄入后消化道环境可能引起的潜在毒性变化问题,构建了体外胃肠道模拟体系和Caco-2单层细胞模型,发现20μg/m L未消化处理100 nm PS-MPs通过诱导氧化应激显著增加LDH释放量,使Caco-2单层细胞膜受损,而5μm PS-MPs未表现出显著的毒性效应;两种粒径PS-MPs都未显著改变促炎因子MCP-1和IL-8的蛋白分泌和基因表达水平。但体外消化处理后,20μg/m L100 nm PS-MPs未引起LDH释放量增加,却显著提高MCP-1和IL-8的基因表达和蛋白分泌水平。体外消化消除了20μg/m L 100 nm PS-MPs对Caco-2单层细胞膜的损伤,却诱导了炎症反应,其毒性的变化归因于体外消化后100 nm PS-MPs表面蛋白冠的形成以及团聚水平的增加。(3)针对微塑料和其他污染物在肠道中共同暴露的联合毒性问题,选择三价砷为代表性共存污染物,发现两种粒径PS-MPs均显著提高砷对Caco-2细胞的活性氧诱导能力,产生协同毒性效应。基于Caco-2单层细胞模型研究发现原始PS-MPs未对砷的转运产生影响,但经过胃肠道消化过程,100 nm和5μm PS-MPs可将砷的跨单层膜转运率从28.5%降至12.5%和13.2%。相对于砷单独暴露,20μg/m L 100 nm PS-MPs和砷联合暴露显著增加Caco-2单层细胞膜的LY透过率和LDH释放量,显著降低Na~+K~+-ATP酶活性,产生毒性增敏效应。而体外消化消除了微塑料诱导的毒性增敏效应。体外消化过程会在微塑料与砷共存时降低砷在肠道的生物有效性,可能是因为其削弱了PS-MPs引起的Caco-2单层细胞膜的转运功能破坏。综上所述,本研究基于体外肠道模型探究了微塑料肠毒性效应及其机制,发现100 nm PS-MPs和5μm PS-MPs都可被Caco-2细胞摄入,并不同程度的降低线粒体膜电位和抑制ABC转运蛋白活性;体外消化消除了100 nm PS-MPs对Caco-2单层细胞膜的损伤,却诱导了炎症反应;相对于砷单独暴露,100 nm PS-MPs和砷联合暴露显著增加了对Caco-2单层细胞膜的毒性,而体外消化消除了微塑料诱导的毒性增敏效应。本研究为微塑料的肠毒性研究提供了基础信息。