摘要：你是否了解空气中微小的纳米塑料颗粒对健康的潜在威胁？天津医科大学第二院泌尿外科研究所的一项最新研究揭示了纳米塑料通过吸入机体引发对肾脏的毒性作用。该研究利用小鼠模型和人体肾脏类器官，深入探究了纳米塑料如何在体内分布、积累，并引发肾脏损伤。结果令人警醒！想要了解

你是否了解空气中微小的纳米塑料颗粒对健康的潜在威胁？天津医科大学第二院泌尿外科研究所的一项最新研究揭示了纳米塑料通过吸入机体引发对肾脏的毒性作用。该研究利用小鼠模型和人体肾脏类器官，深入探究了纳米塑料如何在体内分布、积累，并引发肾脏损伤。结果令人警醒！想要了解纳米塑料如何悄无声息地影响我们的健康吗？快来阅读这篇文章，一同揭开纳米塑料与肾脏健康之间的神秘面纱！

图形摘要

文章介绍

题目：吸入暴露于空气中的纳米塑料引起的肾脏损伤的毒理学效应和机制

杂志：Journal of Hazardous Materials

影响因子：IF=12.2

发表时间：2025年1月

#1

研究背景

Background

随着工业的发展，塑料因其价格低廉、轻便和方便的特性而被广泛应用于人类生活的各个领域，这导致了塑料废弃物的排放量逐年增加。微纳米塑料（MNP）作为新兴的四大污染物之一，其对哺乳动物多个生理系统的毒性作用已引起广泛关注。众所周知，肾脏在消除体内代谢废物方面发挥着关键作用，因此，有必要对MNP进行肾毒性研究。

#2

研究思路

Methods

该研究使用自主吸入聚苯乙烯纳米塑料（PS-NP）的小鼠模型和人肾类器官进行实验，通过分析PS-NP对小鼠肾脏组织结构和功能（包括对肾小管上皮细胞、线粒体等）、对人肾类器官的毒性作用（包括对肾脏类器官生长、分化等）及对肾脏发育相关基因表达的影响，以明确空气中纳米塑料（NP）对肾脏的影响。采用了多种实验技术，包括HE染色、传输电子显微镜成像系统、转录组学分析。此外，该研究还使用了透射电镜、流式细胞术、RT-qPCR、WB和免疫荧光。

#3

研究方法与过程：

Results

* 实验材料：实验选用了两种类型的PS-NP，包括荧光PS颗粒和非荧光PS颗粒。荧光颗粒用于量化PS-NP在小鼠各器官中的富集情况，非荧光颗粒则用于毒性测试。

* 通过透射电子显微镜（TEM）等方法分析PS-NP的理化特性（如形状、粒径和ζ电位等）。

* 动物实验：将小鼠暴露于不同浓度的PS-NP，模拟PS-NP的空气传播路径，并设置不同时间点收集小鼠肾脏组织样本，观察其对肾脏的影响。

*人肾类器官培养：通过将人类多能干细胞（hPSC）分化为肾脏类器官，并使其暴露于PS-NP和荧光PS-NP中，以评估其对肾脏的毒性作用。

* 数据收集与分析：收集小鼠肾脏组织样本和人肾类器官样本，进行组织学、生物化学和分子生物学分析。利用转录组学数据分析方法，筛选与肾脏损伤相关的目标基因，揭示PS-NP暴露诱导肾脏损伤的分子信号通路，并深入探讨其作用机制。

#4

研究结果

Results

1. NP的特征

悬浮在去离子水中的PS-NP和荧光PS-NP的详细物理化学性质如图1所示。TEM图像显示PS-NP大多是球形的，表面光滑。在去离子水中PS-NP的ζ电位约0.4伏特，PS-NP的流体动力直径为0.09777±0.00108 μm。此外，很明显，通过1452 cm-1、2922 cm-1和3026 cm-1波数处PS-NP的透射率可知其包含C-C芳环、亚甲基和芳香环C-H（图1）。

图1 NP的物理化学性质表征。（A）NP的TEM成像。（B-D）去离子水中NP的Zeta电位和流体动力学直径。（E）NP的FTIR图谱。

2. 小鼠暴露于空气中NP后的生理和生化指标

小鼠暴露于PS-NP的过程严格按照图2所示的方案进行。与对照组相比，吸入PS-NP的暴露组小鼠的体重减轻，暴露1周后体重减轻趋势更加明显。暴露组小鼠的肾脏重量和肾脏器官系数降低。肾脏重量的结果显示，暴露组中的某些小鼠，左右肾脏重量不一致。然后探究了PS-NP暴露对肾脏相关血清生化指数的影响，已知血清肌酐（Cr）和血清尿素氮（BUN）常用作肾功能的临床指标，与对照组相比， PS-2W组的小鼠中Cr水平明显升高，而BUN水平并未显著改变。此外，血常规检测发现PS-2W组小鼠的血小板计数（PLT）显著增加，表明其与小鼠暴露的持续时间呈正相关（图2）。

图2 用NP处理的小鼠的体重、肾脏重量、肾脏器官系数和血液生化指标。（A）本实验中小鼠的暴露方案。（B-D）每组小鼠的体重、肾脏重量和肾脏器官系数。（E-G）通过测量Cr、 BUN和PLT分析血液生化。

3.空气中NP在肾组织中的生物分布

有研究表明PS-NP可以在肾脏中积累。本研究使用荧光成像分析系统检查了小鼠的肾脏，发现了类似的结果。且荧光结果显示PS-NP在肾脏中的积累与暴露时间正相关。鉴于生物荧光成像系统的低灵敏度，进一步采用共聚焦荧光显微镜来定位肾组织中的PS-NP，如图3所示，荧光PS-NP在肾小管的上皮细胞中广泛积累，并且荧光强度随暴露时间的增加而逐渐增加。这与之前的生物荧光成像分析一致，进一步证实了NP在生物组织中的累积具有时间依赖性。在体外暴露实验中，HK-2细胞对PS-NP的细胞摄取表现出浓度和时间依赖性模式，表明其动态性质。暴露于PS-NP 2小时后，进行了一项涉及不同浓度荧光标记的PS-NP的研究，结果显示，在暴露于浓度为800 μg/ml的PS-NP组中的观察到最高的荧光信号。随后仔细监测了暴露于浓度为800 μg/ml的PS-NP后不同时间点的荧光变化，荧光分析在吸收30分钟后表现出最显著的效果，表明暴露于浓度为800 μg/ml 的PS-NP空气中30分钟后小鼠肾脏中PS-NP富集量最为显著（图3）。

图3 NP在小鼠肾脏和HK-2细胞中的生物分布。（A-B）通过荧光成像/共聚焦显微镜分析整个肾脏/切片的荧光图像。（C-D）利用荧光显微镜观察HK-2细胞对PS-NP的摄取情况。（E-F）用 800 μg/ml的PS-NP处理的HK-2细胞的时间进程分析及其荧光强度定量。

4. 空气中NP对小鼠肾脏的毒性作用

HE染色显示，与对照组相比，PS-1W和PS-2W组小鼠表现出不同程度的肾小管损伤、肾小球壁上皮细胞增殖和免疫细胞浸润，表明空气中NP可诱发严重的小鼠肾脏损伤。暴露组小鼠的肾小管上皮细胞中出现了黑色球状异物的富集以及线粒体肿胀。为了进一步验证PS-NP对小鼠肾脏的毒性作用，我们使用WB和RT-qPCR来研究肾损伤相关基因的表达。与对照组相比，暴露组小鼠肾损伤标志物分子肾损伤分子-1（Kim-1）、中性粒细胞凝胶酶相关脂质运载蛋白（Lcn2）、脂肪酸结合蛋白1（Fabp1）和血管紧张素原基因（Agt）的mRNA水平明显升高，且随暴露与PS-NP的时间增加而升高；小鼠肾组织中的先天性肾病综合征芬兰型致病基因（Nphs 1）的mRNA水平明显减少。WB结果显示，这些肾损伤相关蛋白的表达趋势与其基因的表达趋势一致。在RT-qPCR结果中，暴露于PS-NP导致Agt的mRNA表达上调，表明暴露于PS-NP诱导了小鼠肾血流的改变（图4）。

图4 NP处理的小鼠肾组织段的HE染色、RT-qPCR和WB。（A）代表性肾切片的HE染色。（B）小鼠肾组织的TEM图像。（C）小鼠肾组织的代表性RT-qPCR。（D）小鼠肾组织的代表性WB。（E）各组小鼠肾组织中KIM-1、LCN2、FABP1、NPHS1、AGT表达的定量统计分析。

5. NP对人肾脏类器官的毒性作用

肾脏类器官已被确立为探索人类肾脏的极其宝贵的实验模型。这些类器官可以产生多种细胞类型，每种细胞类型都具有人类肾细胞的独特特征。本研究成功地将健康的人类多能干细胞（hPSC）分化为肾脏类器官，然后暴露于PS-NP和荧光PS-NP中。通过检测不同发育阶段的细胞标志物，发现这些肾脏类器官具有一致的发育轨迹，所得的细胞类型中存有显着的可重复性。随着肾脏类器官成熟，检测到肾脏特异性细胞标志物，包括足细胞中WT1、小管中LRP2和上皮细胞CDH1、血管内皮中的CD31以及间充质细胞中VIM的表达。为了探究纳米颗粒对肾脏类器官分化过程的影响，在分化第12天将类器官暴露于不同浓度的PS-NP中持续48小时。该时间点对应于肾单位祖细胞发育的关键阶段，此阶段在肾脏类器官的整体形成中发挥着关键作用。实验结果表明，NP对肾脏类器官生长的抑制作用呈现浓度和时间依赖性。对暴露48小时的肾类器官进行免疫荧光染色，结果显示，与对照组相比，暴露于NP的肾类器官中细胞增殖的标志物KI67和足细胞的标志物WT1的荧光强度且呈浓度依赖性显著降低，这些标志物的变化表明PS-NP对肾脏类器官的毒性作用（图5）。

图5 人肾类器官的培养和NP暴露对肾脏类器官的影响。（A）肾脏类器官培养和暴露程序。（B）肾脏类器官分化培养的每个关键时间点的白光图。（C）肾脏类器官结构的荧光染色图像。（D）在不同时间点暴露于PS-NP的肾脏类器官的明场图。（E）用不同浓度的PS-NP处理48 h后肾类器官面积的统计分析。（F）肾脏类器官的免疫荧光染色。（G）肾脏类器官中特定标记物荧光区域的定量统计分析。

6. 基于转录组学分析的空气中NP暴露导致肾损伤的分子信号

对对照组、PS-1W组和PS-2W组小鼠的肾脏组织进行转录组分析，分别检测到8512、8981和8670个单基因。共有单基因的数量分别为7401个（Con vs PS-1W）、7252个（Con vs PS-2W）和7642个（PS-1W vs PS-2W）。与Con组相比，PS-1W/PS-2W组上调和下调的基因数量分别为1851/1637和1707/ 1820。

GO富集分析显示，与Con组相比，PS-1W组的差异表达基因（DEG）主要富集在与肾功能密切相关的生物过程中，例如跨膜运输、物质代谢，特别是有机阴离子运输、阴离子跨膜运输和类固醇代谢过程。相比之下，PS-2W组的DEG主要富集在可能影响肾组织结构完整性的生物过程中，包括细胞外结构组织、体液免疫反应、补充激活和激素水平调节。

KEGG富集分析进一步表明，类固醇生物合成、类固醇激素生物合成、花生四烯酸代谢、维生素消化和吸收、胆汁分泌、髓鞘、金黄色葡萄球菌感染、补充和凝固级联、细胞外矩阵受体相互作用以及蛋白质消化和吸收均显著富集。与Con组相比，PS-1W 组和 PS-2W 组在类固醇激素生物合成、溶酶体以及补体和凝血级联反应这三个显著富集的信号通路方面表现出更强的活性，且这两组之间在这些方面存在显著差异。在信号途径分析中，我们发现NR4A1基因在类固醇激素生物合成途径中上调，而F2基因在补充和凝血级联途径中上调（图6）。

图6 肾组织的转录组学分析。（A）Con、PS-1W和PS-2W组之间的维恩图。（B）火山图表示Con vs PS-1W和Con vs PS-2W之间上调和下调基因数量的差异。（C）KEGG富集分析从另一方面证明了通路的富集。

7. 空气中NP暴露导致肾组织和HK-2细胞的毒性作用和信号途径异常

通过转录组学数据分析，筛选了与细胞凋亡和外源性凝血密切相关的靶基因NR4A1和TF。RT-qPCR结果显示，与Con组相比，暴露于PS-NP后，肾脏组织中Nr4a1、Caspase 3、TF、F2和F12基因的表达水平显著升高，PS-NP处理2周后这一变化更加显著。相反，BCL2的mRNA表达水平并没有显著变化。WB结果显示，这些关键基因的蛋白的表达趋势与其基因的表达趋势一致。免疫荧光测定结果表明，用PS-NP处理后，NR4A1从细胞核中释放出来，并定位于HK-2细胞中的线粒体。另外，小鼠肾脏组织中线粒体的甲基化检测结果表明，PS-NP暴露导致细胞色素C氧化酶（COX）甲基化水平的改变（图7）。

图7 PS-NP对细胞凋亡和凝血信号通路的影响结果。（A-B）肾组织中Nr4a1、Bcl2、Casp3、Tf、F2和F12基因的mRNA表达水平。（C）肾组织中主要蛋白的WB分析和定量统计。（D-E）HK-2细胞线粒体和细胞核中NR4A1蛋白的WB分析和定量统计。（F）NR4A1在HK-2细胞中的定位和荧光强度的定量。（G）小鼠肾组织线粒体中的COX甲基化水平。

8. 经NP处理的HK-2细胞的细胞活性、活性氧水平、线粒体膜电位和凋亡变化

为全面评估PS-NP对HK-2细胞的影响，评估了细胞接受不同浓度的PS-NP 24h后的细胞毒性效应。与Con组相比，随着PS-NP浓度的增加，HK-2细胞的细胞活力只发生了轻微的变化。但当暴露于浓度为800 μg/ml的PS-NP中时，HK-2细胞的细胞活性显著降低，降低约为10%。随着PS-NP浓度的增加，暴露于PS-NP中的HK-2细胞内活性氧（ROS）水平逐渐增加。本研究还评估了暴露于不同浓度PS-NP后HK-2细胞的线粒体膜电位和细胞凋亡率的变化。与之前的发现一致，当用浓度为800 μg/ml的PS-NP处理HK-2细胞时可观察到线粒体膜电位和细胞凋亡率的实质性变化。这些结果表明PS-NP暴露会导致HK-2细胞损伤，包括氧化应激、细胞凋亡和线粒体膜电位去极化（图8）。

图8 评估NPS暴露的HK-2细胞的细胞毒作用。（A）评估HK-2细胞暴露于不同浓度的PS-NP 24 h后的存活率。（B）暴露于不同浓度的PS-NP 24 h的HK-2细胞中细胞内活性氧水平的测量。（C）使用JC-1探针评估暴露于不同浓度PS-NP 24 h的HK-2细胞线粒体膜电位的变化。（D）暴露于不同浓度的PS-NP 24 h的HK-2细胞凋亡率的流式细胞术分析。（E）定量统计分析。

小结

本研究将小鼠暴露于空气中的NP后，发现其在肾脏内积聚，本研究开创了将NP暴露于人类肾脏类器官的先河。将人类肾脏类器官暴露于NP后，发现PS-NP可能通过干扰重要的信号途径，包括氧化应激、炎症和凝固，从而激活NR4A1/CASP3信号通路诱导细胞凋亡，同时激活TF/F12信号通路触发外源性凝血级联反应。此外，发现PS-NP参与肾素-血管紧张素-醛固酮系统的功能异常，从而破坏肾血流并加剧肾损伤。

虽然实验模型的结果有一定的局限性，但本研究为空气中NP暴露对小鼠肾脏的毒性影响和评估MNP对人类健康的潜在风险提供了重要的科学依据。未来，应继续加强MNP的环境监测和毒性评估工作，以制定有效的防控策略来减少其对人类健康的危害。

参考文献

Chen LQ, Han B, Yang SS, Guo LQ, Zhao L, Liu P, Hong XM, Zhao Y, Peng YH, Qia SY, Hu LD. Toxicological effects and mechanisms of renal injury induced by inhalation exposure to airborne nanoplastics. Journal of hazardous materials. 2025 Jan 30:488:137393. doi: 10.1016/j.jhazmat.2025.137393. PMID: 39892132.

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来源：培养盒守护者