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——中国科学院沈阳应用生态研究所“环境污染过程与效应创新组群”徐明恺研究员团队联合中国医科大学盛京医院李铁刚团队《EES》：聚苯乙烯纳米塑料重复呼吸道暴露可致小鼠持续性肺损伤与纤维化

微纳塑料作为一种新型污染物，正日益受到关注。其中，纳米塑料具有密度低、粒径小、比表面积大和易分散等特征，可在空气中长期悬浮并广泛传播，进而经呼吸道被生物体吸入并进入肺组织，对呼吸系统健康构成潜在威胁。然而，目前人们对吸入纳米塑料的毒性效应及其毒理机制仍缺乏系统认识，尤其是重复暴露及停止暴露后恢复阶段的持续毒性，尚有待深入研究。

针对上述问题，中国科学院沈阳应用生态研究所“环境污染过程与效应创新组群”徐明恺研究员团队联合中国医科大学盛京医院李铁刚团队，以25、100和500nm聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）为研究对象，借助国仪量子场发射扫描电子显微镜观察PS-NPs的形貌，并结合粒径分析完成暴露材料的基础表征与质量核验，为后续粒径效应比较提供可靠的实验起点。该研究构建了小鼠重复呼吸道暴露模型，并设置4周重复暴露期和2周恢复期。结果显示，纳米塑料进入机体后主要在肺组织中累积，可进一步分布至心、肝、脾和肾等器官，同时伴随外周血白细胞数量减少。连续暴露可削弱肺泡上皮屏障功能，增强肺组织炎症和氧化应激反应，继而导致肺功能异常、胶原沉积增加及纤维化相关改变。值得注意的是，25nm颗粒表现出更强的肺部累积和毒性效应；即使停止暴露2周后，部分肺损伤、炎症及纤维化指标仍未恢复至对照水平。进一步分析提示，巨噬细胞极化状态的改变，尤其是由炎症相关M1表型向修复/重塑相关M2表型的转变，可能参与了纳米塑料诱导的肺纤维化进程。该研究以“Repeated inhalation exposure to polystyrene nanoplastics induced sustained pulmonary injury and fibrosis in mice”为题发表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》期刊上。

不同粒径纳米塑料的形貌与粒径表征

在开展动物暴露实验前，研究团队首先对25、100和500nm的PS-NPs进行了表征。使用国仪量子SEM5000场发射扫描电子显微镜，观察到三种PS-NPs均呈较规则的球形颗粒形貌，不同粒径颗粒的尺度差异清晰可辨（图S1A）。进一步结合纳米粒度分析仪测定水动力粒径，PS-NP25、PS-NP100和PS-NP500的主峰分别为27.64、113.90和549.60nm（图S1B）。

扫描电镜表征从形貌层面确认了暴露材料的基本特征，粒径分析则反映了颗粒在分散体系中的实际尺寸状态。二者相互补充，为后续比较不同粒径纳米塑料的体内行为及毒性效应提供了可靠的材料基础。

PS-NPs在小鼠体内的累积与分布

为追踪纳米塑料在小鼠体内的分布，研究团队利用尼罗红标记的PS-NPs，结合IVIS活体光学成像和荧光显微镜技术进行了相关实验。结果显示，PS-NPs暴露后，纳米塑料信号主要集中于肺部，同时可在心、肝、脾和肾等器官中检测到（图1B、C）。停止暴露2周后，肺组织中仍保留明显荧光信号，提示吸入的纳米塑料在肺内具有一定的持续滞留特征。

不同粒径PS-NPs的肺部累积程度存在差异。停止暴露2周后，高剂量PS-NP25、PS-NP100和PS-NP500组在肺组织中的荧光信号分别保留至暴露期末水平的84.55%、71.03%和55.41%（图1D）。其中，小粒径颗粒的肺部累积更为明显，提示粒径可能影响纳米塑料在呼吸系统内的清除与累积过程。

PS-NPs暴露损伤肺泡上皮屏障

肺泡上皮屏障由紧密连接、肺表面活性物质及黏液层等共同构成，是维持肺部防御功能和组织稳态的重要基础。研究团队检测了紧密连接蛋白Occludin、肺表面活性蛋白D（SP-D）及黏蛋白相关基因Muc5ac和Muc5b，以评估PS-NPs对肺泡上皮屏障的影响（图2）。

结果显示，4周暴露后，PS-NP25和PS-NP100组Occludin表达显著下降；停止暴露2周后，PS-NP25和PS-NP100高剂量组的Occludin表达仍显著低于对照组，而PS-NP500组未见显著变化。三个粒径的高剂量组SP-D表达在暴露期均显著降低，且粒径越小，下降越明显。

此外，PS-NPs总体下调Muc5ac和Muc5b转录水平，小粒径PS-NPs影响更明显。停止暴露2周后，Muc5ac仍显著降低，提示肺部黏液层损伤具有持续性；PS-NP500对Muc5b的影响相对较弱。总体而言，PS-NPs可对肺泡上皮屏障造成粒径依赖性损伤，小粒径颗粒引起的影响更强且更持久。

图2. PS-NPs呼吸道暴露对小鼠肺组织Occludin、SP-D表达及黏蛋白基因转录的影响

炎症与氧化应激伴随肺组织病理损伤

组织病理学结果显示，PS-NPs暴露后，小鼠肺组织出现肺泡壁增厚及炎性细胞浸润等病理改变，其中PS-NP25组最为明显，且停止暴露2周仍可观察到部分异常结构（图3A）。在炎症反应方面，PS-NP25和PS-NP100暴露组肺组织CD45阳性信号显著增加，且剂量越高，炎性细胞浸润越明显；停止暴露2周后各组CD45水平虽有所下降，但PS-NP25和PS-NP100组仍高于对照组。ROS检测显示，所有高剂量组均出现显著氧化应激，且颗粒越小、剂量越高，ROS信号越强；停止暴露2周后，ROS水平仍保持显著升高（图3B–D）。这些结果表明，PS-NPs可诱发肺组织炎症和氧化应激反应，且小粒径颗粒引起的反应总体更为显著。

图3. PS-NPs吸入暴露对小鼠肺组织形态、CD45及ROS的影响

PS-NPs诱导肺功能下降及纤维化相关改变

研究进一步评估了PS-NPs暴露后小鼠的肺功能及肺组织纤维化相关变化。结果显示，除吸气时间（Ti）外，呼吸频率（f）、潮气量（TV）、特殊气道阻力（sRaw）和呼气时间（Te）均受到PS-NPs暴露影响（图4A）。

Masson染色显示，PS-NPs暴露后肺组织胶原纤维沉积增加。暴露期末，所有高剂量组的胶原容积分数均显著升高；在低剂量组中，PS-NP25和PS-NP100也可显著增加胶原容积分数。停止暴露2周后，PS-NPs高剂量组的胶原容积分数仍显著高于对照组（图4B、C）。

同时，肌成纤维细胞标志物α-SMA表达总体呈升高趋势，与胶原沉积变化基本一致（图4D、E）。上述结果表明，PS-NPs暴露可引起肺功能异常及肺纤维化相关改变，其中小粒径PS-NPs表现出更明显的效应，且部分指标在停止暴露2周后仍未恢复至对照水平。

图4. PS-NPs呼吸道暴露对小鼠肺功能、胶原纤维沉积及肺组织α-SMA表达的影响

PS-NPs诱导小鼠肺组织巨噬细胞极化

为探讨PS-NPs对巨噬细胞极化的影响，研究团队检测了M1型巨噬细胞标志物iNOS、M2型标志物CD206及相关细胞因子的表达（图5）。在暴露期末，除低剂量PS-NP500组外，其余PS-NPs处理组的iNOS和CD206表达均显著升高，表明重复暴露可同时引起炎症相关M1型和修复/重塑相关M2型巨噬细胞反应。

停止暴露2周后，iNOS表达较暴露期末有所下降，但仍高于对照组；CD206表达则进一步升高，导致iNOS/CD206比值下降。RT-qPCR结果显示，促炎因子IL-1β和TNF-α整体呈上调趋势，其中PS-NP25组的TNF-α在暴露期末和停止暴露2周后均显著升高；与M2型极化相关的IL-4和IL-10在高剂量PS-NP25组中也显著升高，且停止暴露2周后的表达水平高于暴露期末。

上述结果表明，PS-NPs暴露后肺组织中的巨噬细胞极化呈动态变化特征，并可能参与肺纤维化相关过程；总体而言，小粒径颗粒诱导的M1型和M2型巨噬细胞极化反应更为明显。

图5. PS-NPs吸入暴露对小鼠肺组织巨噬细胞极化的影响

PS-NPs诱导小鼠外周血参数的改变

为进一步评估PS-NPs重复暴露的全身效应，研究团队检测了小鼠外周血细胞指标（图6）。结果显示，在暴露期末和停止暴露2周后，各处理组红细胞（RBC）和血小板（PLT）数量与对照组相比均未出现显著差异。PS-NPs暴露后外周血白细胞（WBC）数量总体呈下降趋势，停止暴露2周后，低剂量组WBC数量已恢复至对照水平，而高剂量组显著低于对照组。此外，各处理组淋巴细胞（LYMPH）比例总体升高，粒细胞（GLC）比例相应降低，提示PS-NPs暴露可能改变外周血白细胞数量及其细胞组成。

图6. PS-NPs对小鼠外周血参数的影响

总结：本研究表明，重复呼吸道暴露于PS-NPs可使颗粒在小鼠肺组织中持续累积，并进一步分布至心、肝、脾和肾等器官，同时伴随外周血白细胞数量减少。肺内颗粒累积伴随肺泡上皮屏障受损、肺组织病理改变、炎症和氧化应激，并出现肺功能及纤维化相关改变。小粒径PS-NPs在肺部的累积更明显，相关肺损伤也更为突出，且部分指标在停止暴露2周后仍未恢复至对照水平。研究还初步提示，巨噬细胞极化的动态变化可能与PS-NPs诱导的肺纤维化进程相关，为评估空气中纳米塑料的潜在呼吸健康风险提供了科学依据。