浙江大学李兰娟院士团队研究：长期食用外卖需警惕，微塑料影响肠道微生物群-肠-肝轴并诱导肝毒性_

来源：生命科学前沿

在环境和生物体中发现了微/纳米塑料（MNP）。聚乳酸（PLA）以其高生物相容性而闻名，号称‘环保’的材料，被广泛用于外卖盒等食品包装，PLA 纳米塑料（NP）可以从商业茶包中释放出来。发现 PLA 面罩会释放 MNP，MNP 可以进入人体气道。据估计，一个人每周摄入 0.1-5 g MNP 。因此，空气传播和食源性 PLA MNP 可能会影响人类健康。据研究报道，NP 和微塑料（MP）不仅可以改变不同生物体的肠道微生物群。而且还发现空气传播的 PS MNP 可诱导气道菌群失调。

浙江大学医学院附属第一医院李兰娟院士团队在 Environmental Science and Ecotechnology 期刊发表了题为：Polylactic acid micro/nanoplastic-induced hepatotoxicity: Investigating food and air sources via multi-omics 的研究论文。该研究揭示了：食源性 PLA MNP 暴露可诱导肠道微生物群、肠道和血清代谢组发生变化，并导致肝脏转录组学变化和肝毒性；而空气传播的 PLA MNP 暴露可诱导气道微生物群、肺和血清代谢组的改变，并导致肝脏转录组学变化和肝毒性。因此再本次研究中，作者确定了：（1）食源性可生物降解的 PLA MNP 会影响“肠道微生物群-肠-肝”轴并诱导肝毒性（2）空气传播的可生物降解 PLA MNP会破坏“气道微生物群-肺-肝”轴并引起肝毒性。

研究概要：

在人体肝脏中检测到微/纳米塑料（MNP），对人类健康构成重大风险。口服来自不可生物降解塑料的 MNP 可诱导小鼠肝脏中毒。同样，鼻腔暴露于不可生物降解的塑料会导致小鼠气道菌群失调。然而，人们对食源性和空气传播的可生物降解 MNP 诱导的肝毒性仍然知之甚少。在这里，作者通过对小鼠的各种生物样品（包括肠道、粪便、鼻腔、肺、肝脏和血液样品）进行多组学分析，展示了可生物降解的聚乳酸（PLA） MNP 的肝毒性作用。作者的结果表明，食源性和空气传播的 PLA MNP 都会损害肝功能，破坏血清抗氧化活性，并引起肝脏病变。具体来说，食源性 MNP 会导致肠道微生物群落失调、肠道和血清代谢改变以及肝脏转录组学变化。空气传播的 MNP 影响鼻腔和肺微生物群，改变肺和血清代谢物，并破坏肝脏转录组学。肠道Lachnospiraceae_NK4A136_group是食源性 PLA MNP 暴露的潜在生物标志物，而鼻腔未分类_Muribaculaceae 和肺克雷伯氏菌是空气传播 PLA MNP 暴露的潜在生物标志物。相关结果表明，食源性 PLA MNPs 可影响“肠道菌群-肠-肝”轴并诱导肝毒性，而空气传播的 PLA MNP 可破坏“气道微生物群-肺-肝”轴并引起肝毒性。这些发现对诊断 PLA MNP 诱导的肝毒性和管理环境中的可生物降解材料具有重要意义。作者目前的研究可能是可生物降解 MNP 诱导的肝毒性的起点。需要更多的研究来验证和抑制对 MNP 诱导的肝毒性至关重要的途径。

1、研究材料与方法：

本研究购买了60只四周龄、无病原体的雄性癌症研究所（ICR）小鼠，使用了PLA NP（50纳米）和MP（5毫米）。小鼠被随机分配到六个组中，分别是食源性纳米颗粒组（FQ）、食源性微米颗粒组（FR）、食源性对照组（FNC）、空气传播性纳米颗粒组（AQ）、空气传播性微米颗粒组（AR）和空气传播性对照组（ANC），每组10只小鼠。它们在保持22摄氏度的光照/黑暗（12:12）循环条件下适应环境，为期七天。在不同的时间段对小鼠进行麻醉，采集鼻组织、肺、肝脏和血液样本。

该研究采用小鼠实验模型，研究了可生物降解的聚乳酸（PLA）微纳级塑料（MNPs）对肝脏的影响，并通过多组学分析揭示了其作用机制。研究将小鼠分为食源性和空气传播性两组，分别口服和鼻腔滴注不同剂量的PLA MNPs，然后采集肝脏、肺部、肠道、鼻部和血液等样本进行分析。此外，通过整合分析，研究人员发现了微生物组成、代谢物组和基因表达之间的相关性。去揭示可生物降解的PLA MNPs对肝脏健康的潜在风险，为进一步研究MNPs引起的肝毒性提供了重要线索。

2、研究内容：

（1）MNPs 影响肝功能和抗氧化活性

结果发现MNPs影响了肝功能和抗氧化活性。食源性MNPs（FQ和FR组）导致血清AST和ALT水平较FNC组高。血清SOD在三组之间相似，而血清T-AOC在FQ和FR组中降低。在鼻腔暴露部分，AQ和AR组的血清AST和ALT水平升高。AQ组的SOD水平降低，而AR组的SOD水平没有显著变化。相比之下，AQ、AR和ANC组之间的血清T-AOC没有显著差异。

MNP 引起肝脏和肺部病变，测定 FQ 和 FR 组肝脏中肝细胞肿胀、斑点状坏死、细胞空泡化和核细胞脓肿。相比之下，食源性 MNP 组和对照组的结肠中没有观察到明显的病理变化。在鼻暴露切片中，在 AQ 和 AR 组的肺部观察到出血、炎性细胞浸润和渗出物。测定 AQ 和 AR 组肝脏中的肝细胞肿胀、细胞空泡化和核脓性。

（2）食源性 MNP 改变了肠道微生物群

食源性 MNP 改变了肠道菌群组成：厚壁菌门是 FQ、FR 和 FNC 组中最丰富的细菌门，占肠道菌群的 60% 以上。细菌科 Lachnospiraceae 在 FQ 和 FR 组中均丰度最高，而乳杆菌科是 FNC 组中最丰富的细菌科。FQ 、 FR 和 FNC 组之间肠道微生物群的 α 多样性相似。与 FNC 组（52.31%）相比，FQ （42.88%）和 FR （34.7%）组肠道微生物群的平均相似性较低。

LEfSe 确定了与 FQ 和 FR 组相关的多种肠道细菌，其中 Lachnospiraceae_NK4A136_group、Lachnospiraceae_A2 和 Helicobacter 与 FQ 组最相关，而 Lachnospiraceae_NK4A136_group、Roseburia 和 Helicobacter 与 FR 组相关最。FQ 和 FR 组中共有 8 种肠道细菌，其中 Lachnospiraceae_NK4A136_group 最富集。

食源性 MNP 改变了肠道微生物功能通路：FQ 和 FR 组的多种肠道微生物功能通路上调，其中 “ABC 转运蛋白” 、 “鞭毛组装” 和 “细菌趋化性” 在两组中上调最高。

（3）空气传播的 MNP 改变了鼻腔微生物群

空气传播的 MNP 改变了鼻腔微生物群的组成：在门水平上，厚壁菌门在 AQ、AR 和 ANC 组中最丰富，每组都占鼻腔微生物群的 50% 以上。葡萄球菌科是 AQ、AR 和 ANC 组中最丰富的鼻科。AQ 组和 AR 组的鼻腔 α 多样性指数均高于 ANC 组。与 ANC 组（17.36%）相比，AQ （18.36%）和 AR （22.22%）组鼻腔微生物群的平均相似性略高。

多个鼻腔细菌与 AQ 和 AR 组相关，其中 unclassified_Muribaculaceae、Lachnospiraceae_NK4A136_group 和不动杆菌在 AQ 组中显著上调，而 unclassified_Muribaculaceae、乳酸杆菌和孢子肉菌在 AR 组中基本上调。AQ 组和 AR 组均有 20 个鼻腔细菌上调，其中 unclassified_Muribaculaceae 个是最丰富的一个。

空气传播的 MNP 改变了鼻腔微生物功能通路：AQ 和 AR 组鼻腔微生物群的多个功能途径上调，其中“鞭毛组装”、“细菌趋化性”和“细胞周期 – caulobacter”在两组中上调最高。

（3）空气传播的 MNP 改变了肺微生物群

空气传播的 MNP 改变了肺微生物群的组成：在门水平上，厚壁菌门和变形菌门在 AQ 和 AR 组的肺菌群中含量最高，而厚壁菌门和拟杆菌门在 ANC 组的肺菌群中丰度最高。肠杆菌科、毛螺菌科和毛螺菌科占 AQ 和 AR 组肺菌群的 30% 以上，而毛毛菌科、毛螺菌科和葡萄球菌科是 ANC 组中最丰富的三个肺细菌家族。与 ANC 组相比，AQ 和 AR 组观察到的肺细菌物种较低。AR 组 Shannon 指数降低，而 AQ 组 Pielou 指数升高。与 ANC 组相比，AQ 和 AR 组肺微生物群的平均相似性降低，分别为 8.02% 、 9.81% 和 49.34%。

PERMANOVA 结果表明 AQ、AR 和 ANC 组之间的肺微生物群组成不同（R2 = 0.2，P 0.22，P

空气传播的 MNP 改变了肺微生物功能通路：AQ 和 AR 组的各种肺微生物功能通路上调。AQ 组的“鞭毛组装”、“卟啉和叶绿素代谢”和“苯丙氨酸代谢”的上调最严重，而 AR 组的“鞭毛组装”、“细菌趋化性”和“苯丙氨酸代谢”的上调最严重。

（4）食源性 MNP 诱导的肠道和血清代谢改变

发现 FQ 、 FR 和 FNC 组之间的肠道代谢谱存在差异。FQ 组和 FR 组分别有 752 和 637 种改变的肠道代谢物。同样，确定了 FQ 、 FR 和 FNC 组血清代谢谱之间的差异。FQ 和 FR 组分别有 832 和 753 种血清代谢物发生改变。

改变的肠道代谢产物主要与 FQ 组的 “类固醇激素生物合成” 、 “癌症中枢碳代谢” 和 “ABC 转运蛋白” 等强化途径有关;FR 组的“癌症中的中心碳代谢”、“蛋白质消化和吸收”以及“氨酰基-tRNA 生物合成”。FQ 和 FR 组共有 18 条肠道通路富集，其中 “癌症中心碳代谢” 上调最高。

FQ 组富含“亚油酸代谢”、“花生四烯酸代谢”和“色氨酸代谢”等血清途径，而“亚油酸代谢”、“药物代谢 - 其他酶”和“色氨酸代谢”等血清途径。FQ 和 FR 组有 4 种血清通路增强，其中“亚油酸代谢”最富集。

食源性 MNP 诱导的肝脏转录组改变：确定了 FQ 、 FR 和 FNC 组之间的肝脏转录组谱的一些变化。FQ 组和 FR 组分别有 307 个和 262 个肝脏 DEGs 发生改变。FQ 组主要富集了分别属于生物过程、细胞成分和分子功能的三个肝脏 GO 术语，即染色质沉默、细胞外区域和核小体 DNA 结合的负调控，而核小体组装最富集。FQ 和 FR 组富集了两组不同的 9 条肝脏通路，其中 FQ 和 FR 组的“昼夜节律”上调最高。

（5）空气传播的 MNP 诱导的肺和血清代谢改变

PCA 显示 AQ、AR 和 ANC 组之间肺代谢谱的变化。AQ 组和 AR 组分别有 864 和 596 种肺代谢物升高。AQ、AR 和 ANC 组的血清代谢特征不同。AQ 组和 AR 组分别有 503 和 664 种血清代谢物发生改变。

改变的肺代谢产物主要与 AQ 组的“类固醇激素生物合成”、“花生四烯酸代谢”、“嘌呤代谢”等通路有关;AR 组的“花生四烯酸代谢”、“类固醇激素生物合成”和“癌症中的胆碱代谢”。AQ 和 AR 组均富集 9 条肺通路，其中“花生四烯酸代谢”上调最严重。

AQ组“癌症中心碳代谢”、“丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢”、“丁酸代谢”和“蛋白质消化吸收”等血清通路上调，而AR组“蛋白质消化吸收”、“色氨酸代谢”、“苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成”和“癌症中心碳代谢”等血清通路富集。AQ 和 AR 组均富含 11 条血清通路，其中“癌症中枢碳代谢”和“蛋白质消化吸收”显著增强。

空气传播 MNP 诱导的肝脏转录组改变：AQ 和 AR 组的多个肝脏通路上调，其中 “酒精中毒” 、 “系统性红斑狼疮” 和 “中性粒细胞胞外陷阱形成” 在两组中都基本上调。

（6）MNPs的网络调控分析和多组学分析

通过多组学分析可以发现，食源性和空气中的微纳米颗粒（MNPs）对肠道、肺部、血清和肝脏产生了显著影响。不同类型的MNPs导致了微生物组、代谢谱和转录组的变化。食源性MNPs对肠道菌群和代谢产生了明显影响，而空气中的MNPs则对肺部、鼻腔和血清的微生物组、代谢谱和转录组产生了影响。此外，不同类型的MNPs也导致了不同部位之间的差异，如肠道、肺部和肝脏之间的代谢和转录组差异。这些研究结果提供了对MNPs潜在危害的深入认识，并为进一步研究和保护环境健康提供了重要参考。