白色污染是一個老生常談的環境問題，雖然世界各國出臺了各式的法案進行處理，但是這些污染降解形成的微塑料（MP）在水生和陸地環境中無處不在。由于其對環境和人類健康的潛在風險，是世界上最緊迫的環境問題。MP在環境中轉移，并通過食物鏈和直接吸入或攝入人體進行生物積累。盡管人類MP暴露的確切數量涉及很大的不確定性，但研究初步估計，通過口服攝入的每周MP消耗量范圍為0.1至5.0克MP顆粒。對小鼠、牡蠣和貽貝的研究表明，接觸與環境相關的MP會導致生殖受損、DNA損傷和神經毒性，而導致這些影響的機制仍然是未知的。為了減輕塑料污染，人類使用可生物降解塑料作為傳統塑料的替代品。生物塑料聚乳酸（PLA）就廣泛用于制造食品包裝，一次性餐具和生物醫學遞藥載體。但是在人類和小鼠模型研究中表明，基于PLA的植入會引發炎癥。同時PLA塑料可能比傳統塑料產生更多的MPs，所以PLA MPs越來越多地存在于土壤，沉積物和室內灰塵中。PLA MP攝入的毒理學值得進一步深入研究，學界仍然缺乏關于它們在腸道中的生物轉化如何影響人類健康的認知。近日，復旦大學環境科學與工程系的陳建民教授、南洋理工大學土木與環境工程學院的方明亮教授、安徽醫學大學黃以超教授等人報道了一項關于“環保”可降解塑料對人類胃腸道與健康風險影響的工作。作者證明了聚乳酸微塑料通過在胃腸道中競爭甘油三酯脂肪酶來水解，產物通過自組裝形成低聚納米塑料顆粒。在小鼠模型中，聚乳酸低聚物及其納米顆粒在肝臟、腸道和大腦中生物積累。同時暴露于聚乳酸低聚物后會導致不良腸道炎癥作用。雖然，可生物降解塑料被認為是解決環境塑料污染的解決方案，但生物塑料的胃腸道降解和毒性也必須有所認知。首先測試PLA MPs與不同的消化液反應。在人工胃和腸液中進行體外消化后，SEM圖像顯示PLA MPs的表面粗糙。進一步用胃脂肪酶處理PLA MPs，其表面表現出實質性的改變。將PLA MPs在含有小腸脂肪酶的PBS中生物降解3天。SEM分析表明，隨著孵育時間的延長，表面磨損增加。在小腸脂肪酶中生物降解的PLA MPs質量在6小時后迅速減少了其初始質量的15%。脂肪酶處理后PLA MPs的分子和晶體結構沒有實質性變化。因此，這表明MP可能分別被胃和腸液中的脂肪酶降解。脂肪酶在胃和腸液中水解PLA，可能是基于PLA的羧酯鍵和脂肪酶的豐度。進一步評估PLA和消化脂肪酶之間的相互作用，使用甘油三酯作為陽性對照。PLA結合消化脂肪酶，通過競爭性結合阻止甘油三酯降解。通過體外消化模型，研究納米級塑料顆粒形成機制。PLA在胃脂肪酶消化2小時后在培養基上清液中形成了每毫升6.09 × 108個顆粒。這種小納米塑料顆粒的形成呈現劑量依賴性，前3小時顯示出最大的產量，這可能是由于生成的顆粒或相關低聚物解聚。酶解2 h后PLA納米顆粒的平均尺寸為200 nm，酶解1 d后的平均尺寸為50 nm，在接下來的連續兩天內趨于穩定。TEM圖像顯示納米塑料具有多個中心核心，表明顆粒可能發生自我聚集。GPC分析顯示，在消化的PLA MP中低分子量范圍（~900 Da）中存在微小的峰，這可能是解聚低聚物。使用高分辨率質譜法對低聚物單元的進一步分析表明，八單元低聚物的豐度最高。研究了釋放的PLA低聚物對脂肪酶酶活性的影響。分子動力學模擬表明，PLA低聚物通過與Ser153、His264和Asp177催化三聯體的氫鍵占據了脂肪酶的活性位點。同樣，PLA低聚物-脂肪酶相互作用的親和力高度依賴于單元數，因為更多的單元形成更強的氫鍵。PLA的羧碳與Ser153的羥基氧之間的距離比甘油三酯的距離更近，表明親核進攻容易發生。此外，由于沒有氫鍵，甘油三酯對催化位點的結合親和力較PLA低聚物的結合親和力弱。PLA低聚物的過渡態具有0.11 eV的相對能壘，表明一旦Ser153脂肪酶親核進攻羧基，后續的催化步驟可能會自發發生。為了研究釋放的納米塑料或低聚物是否可以在體外被肝細胞吸收，用熒光PLA納米塑料和低聚物處理HepG2。兩幅圖像都顯示出高信號強度，PLA低聚物發出更高的信號。對小鼠施用熒光PLA MP和低聚物一周，并追蹤它們的組織生物分布和腸道內容物。根據目前的數據顯示，人類每周可能攝入~0.1-5.0克MP，小鼠最初以每天1.0mg的速度給予PLA MP和低聚物。熒光結果顯示，PLA廣泛分布于小鼠體內。此外，攝入的PLA MPs以小片段（亞微米）的形式存在于腸道中。PLA納米粒子和低聚物的熒光信號主要集中在肝臟、腸道和結腸。在肝臟和大腦切片中業觀察到了不同程度的熒光斑點。并且低聚物處理小鼠中觀察到肝臟和腸道中的更強信號。組織病理學顯示，用PLA MPs刺激的小鼠表現出肝臟，小腸和結腸的炎癥和浸潤。與對照組相比，結腸PAS染色檢測到腸道粘液減少。低聚物同樣引起了這些不利作用且效率更高。肝臟，小腸和結腸中促炎細胞因子TNF-α濃度顯著升高。進一步給予與人類攝入水平相近的PLA MP，其小鼠小腸和結腸均有炎癥，減少小腸和結腸中的粘液產生。圖 PLA納米塑料/低聚物在體外和體內的生物分布和組織病理學為了確定誘導炎癥的潛在機制，首先測試了腸道微環境的pH值，因為PLA的水解會釋放酸性基團。但在給定劑量下，緩沖溶液的效力變化很小。進一步假設低聚物通過直接與某些促炎蛋白相互作用來調節炎癥。雖然沒有關于PLA低聚物-蛋白質相互作用的已發表數據，但使用藥效團模型計算八聚體與16,646種蛋白質的結合親和力。通過合并GPC結果和質譜數據進行篩選。結果顯示，PLA（8個單位）-基質金屬蛋白肽酶12（MMP12）的適應度得分最高。計算分析進一步表明，10個單元后，與低聚物單位長度對應的MMP12催化位點的親和力趨于穩定。進一步發現，隨著PLA單位的增加，PLA的羧氧與鋅離子發生靜電相互作用。當低聚物單元的數量達到11個時，這種靜電力開始顯著減弱。假設PLA低聚物和MMP12之間的疏水和氫鍵作用較弱，主要是羧基氧和鋅離子之間靜電作用。為了進一步驗證這種相互作用，進行等溫滴定量熱法分析，結果表明MMP12與純PLA低聚物以及與水解產物的結合親和力（Kd）的分別為13.3和20.5μM。為了研究低聚物的免疫毒性，測量MMP12的生物活性以及低聚物處理的RAW 264.7產生的C3a，C5a和TNF-α濃度。用PLA MPs、PLA納米塑料、PLA低聚物以及可溶性水解產物處理，均會使MMP12生物活性減弱，同時C3a，C5a和TNF-α濃度升高。這種炎癥因子濃度的變化與刺激物的濃度呈現正相關。小鼠模型的體內表型數據進一步證實了用PLA MP和PLA低聚物刺激會引發MMP12生物活性的降低。同時肝臟，小腸和結腸中C3a和C5a的濃度增加。相比于PLA MP而言，低聚物引起了更劇烈的炎癥作用，這進一步證實了低聚物的免疫調節作用。可生物降解塑料已被提議作為解決“可持續性”塑料問題的主要解決方案。然而，這些替代品是否對人類健康構成重大風險還遠未得到了解。人類在日常生活中攝入大量可生物降解的塑料，胃腸道會直接改變它們的化學結構，從而改變它們的代謝、生物利用度和生物效應。雖然這些塑料在自然環境中很容易降解，但其與人類健康相關的腸道轉化機制的了解還處于早期階段。作者團隊證明了，胃和腸道脂肪酶對PLA MP的降解都有相當大的影響。此外，PLA是甘油三酯特異性脂肪酶的底物，與人類健康具有重要相關性。納米級塑料顆粒的釋放速度快于預期，酶解僅3 h后就形成釋放峰。人體腸道在消化過程中產生更小的納米塑料（~50納米）。這些納米塑料的尺寸非常小，使它們更容易滲透到胃腸道，進入循環系統到達其他組織，并進一步賦予腸道健康風險。PLA低聚物對脂肪酶活性的直接抑制作用，有效地競爭甘油三酯與脂肪酶的特異性結合。與膳食脂肪相比，PLA的數量通常要少得多。因此，與脂質消化和吸收相關的人類健康影響需要進一步群體驗證。在實際人類暴露劑量下的PLA MPs刺激小鼠的腸道和結腸中存在嚴重炎癥。觀察到的炎癥很可能是由水解和自組裝的低聚物引發，而不是由PLA的顆粒碎片直接引起。八聚體作為PLA水解中的主要低聚物，使用配體-蛋白質相互作用模型來篩選主要藥物靶蛋白中的可能靶標。PLA低聚物對關鍵免疫調節劑MMP12的滅活也許可以解釋PLA在免疫調節中的作用。MMP12作為關鍵介質，為炎癥的消退奠定基礎，因為它在控制組織緊致性和通透性方面起主要作用。此外，MMP12使補體C3失活以減少補體活化，并使化學引誘藥過敏毒素C3a和C5a失活。目前的研究對于人類暴露于MP的評估并不包括短鏈MP聚合物或潛在有毒的低聚物。但已發表的研究表明，聚合物中的低聚物很可能是聚合物毒性的主要貢獻者。聚丙烯奶瓶、硅膠橡膠嬰兒奶嘴、尼龍袋、熱飲杯和塑料茶包等等生活中的塑料制品可能已經自行降解，并釋放了數萬億納米塑料與更多有毒的低聚物，這可能使得學界低估了人類MPs的總暴露量。很少有毒理學研究報告PLA低聚物的健康影響，特別是在人類相關劑量下。因此，該工作從一個方向解釋了PLA降解低聚物在腸道炎癥形成的分子基礎。總之，該工作的結果促進了對可生物降解塑料降解產物作為有毒污染物的認知。Mengjing Wang, Qianqian Li, Changzhi Shi, et al. Oligomer nanoparticle release from polylactic acid plastics catalysed by gut enzymes triggers acute inflammation. Nat Nanotechnol. 2023 Mar 2.https://www.nature.com/articles/s41565-023-01329-y
