关于微塑料和纳米塑料对人类健康风险的了解
塑料极大地造福了人类，推动了医学、电子、航空航天、建筑、食品包装和体育等领域的重大进步。然而，越来越多的担忧表明，塑料也可能对地球环境和人类健康造成严重危害。
这种担忧源于科学家们在几乎所有研究的地方都发现了塑料，尤其是微塑料和纳米塑料（MNPs），包括极地冰盖、马里亚纳海沟深处、我们呼吸的空气、我们食用的食物和水，以及我们身体的每一个组织。这种担忧因新兴数据而加剧，这些数据显示，人体组织中较高水平的MNPs与疾病风险增加相关，同时实验模型也表明MNPs可以引发显著的炎症和氧化应激，这两者都被认为是许多不良健康效应的原因。
检测只是第一步；确定MNPs是否具有危害性仍然是一个关键问题。已知的是，MNPs的影响取决于其化学和物理性质。从化学角度来看，塑料是复杂的、高度异质的合成材料。超过98%的塑料是由化石碳（如煤、石油和天然气）制成的，用于合成由较小重复单元（单体）组成的碳基链（聚合物）。化学添加剂通常被整合到塑料聚合物中，以提供特定的性能，如颜色、柔韧性、稳定性、防水性、阻燃性和抗紫外线性。因此，有许多不同类型的塑料具有不同的特性，包括聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚氯乙烯（PVC）和聚苯乙烯（泡沫塑料）。添加到塑料中的许多化学物质，包括邻苯二甲酸盐、双酚类、全氟和多氟烷基物质（PFAS）、溴化阻燃剂和有机磷酸酯阻燃剂，都是已知的有毒物质，可促进癌症、器官特异性毒性和内分泌干扰。
塑料的大小也是决定其潜在危害的重要因素。宏观塑料定义为大于5毫米的塑料；微塑料（MPs）介于5毫米和1微米之间；纳米塑料（NPs）小于1微米。由于其尺寸小，NPs特别令人担忧。它们在环境中容易长距离传输，能够深入组织并穿透细胞屏障，其较大的表面积允许吸附更多的有毒化学物质。
塑料生产自二战以来几乎呈指数级增长。
全球每年约生产4亿吨塑料，预计到2050年产量将翻一番以上。即使今天突然停止所有塑料生产，估计已有50亿吨塑料存在于垃圾填埋场和环境中，将继续无限期地降解成MNPs。这一严峻的事实强调了当前研究开发分析环境样本（包括人体组织）中MNPs的严格方法的重要性，以及理解它们与生物靶标的相互作用。在这里，我们提供了这一不断发展的领域的概览，重点是NPs。
环境中的NPs
NPs可分为初级和次级。初级NPs是专门为工业或消费用途制造的纳米级塑料颗粒。例如，用于涂料和涂层的纳米级塑料颗粒。这些颗粒专门设计用于汽车涂料、工业保护涂层甚至一些家用涂料，以提供光滑的表面并提高紫外线抵抗能力。另一个例子是将肥料、药物和化妆品封装在NPs中，以减缓其在环境或人体中的释放。这种缓慢释放的传递方式增加了化学物质的半衰期，从而延长了再次给药的时间间隔。NPs从这些和其他NP产品中在制造、应用或磨损过程中释放到环境中。
次级NPs是由较大塑料的分解形成的，通常是由于物理、化学或生物过程。常见的来源包括丢弃的瓶子、食品包装、轮胎和合成纺织品（如聚酯、尼龙和丙烯酸基布），这些物品在阳光、热和机械磨损的作用下会降解。NPs具有高度持久性和流动性。它们的化学稳定性使其能够在长时间内保持完整，而其小尺寸则使它们能够轻松穿过土壤、淡水系统、海洋环境甚至空气。因此，NPs可以远距离传播，侵入远离其原始来源的生态系统。次级NPs不易降解，可以在环境中持续数十年，对生态系统和人类健康造成长期挑战。
人类通过饮食和非饮食途径暴露于NPs。NPs在海鲜、水果和蔬菜中积累，因为土壤和水中含有塑料碎片，因此，食用受污染的食物是人类暴露的主要来源之一。食品包装和加工也会导致饮食暴露，一次性塑料、容器和包装膜在处理、储存和加热过程中会向食物中渗出NPs。非饮食暴露途径包括吸入空气中的NPs，这些NPs来自轮胎磨损、工业排放和合成纺织纤维。这些颗粒可以穿透呼吸系统并可能进入血液。化妆品和个人护理产品是另一个来源，因为除臭剂、洗发水和去角质微珠中的纳米级塑料添加剂可以通过废水系统进入或通过皮肤吸收。日常消费品，如一次性剃须刀和合成服装，在磨损和破碎过程中也会释放NPs。
人体组织中纳米塑料（NPs）的检测
尽管检测方法正在改进，但由于其微小的尺寸和在生物和环境样本中的复杂相互作用，识别和量化NPs仍然是一项技术挑战。目前的方法，如电子显微镜、拉曼光谱和质谱法，可以很容易地检测到较大的MPs，但往往缺乏检测NPs所需的灵敏度和特异性。尽管如此，使用这些技术，MPs已在几乎所有研究的人群和人体的每个部分中被检测到，包括器官（肺、肝、脾、肾、心脏和大脑）、体液（血液、精液、母乳和粘液）以及排泄物（粪便和尿液）。
图1：示意图说明了目前对人类体内微塑料和纳米塑料（MNPs）的吸收、分布、代谢和排泄的理解。图表使用BioRender.com创建。
在人类中广泛检测到MPs表明，NPs很可能也存在于这些相同的组织中——并且由于其增强的移动性和穿透生物屏障的能力，数量可能更多。最近的人类研究表明这一点正在得到证实。此外，实验动物研究表明，通过饮食摄入后，NPs会到达敏感器官，包括肝脏、肾脏、大脑和生殖组织。NPs还可能穿过完整的血脑屏障。
理解NP毒性的最重要方面是理解NP的吸收、分布、代谢和排泄（ADME）（图1）。如前所述，塑料的大小和化学成分在其吸收中起着关键作用。相对于MPs，NPs可以更容易地穿过皮肤、胃肠道和肺部的细胞屏障进入血液系统。一旦进入血液，疏水（“憎水”）的NPs通常会与亲水（“亲水”）蛋白质结合形成一个称为“蛋白质冠”的壳，这有助于它们在体内的分布并增加其穿过细胞膜的能力。目前尚有争议的是NPs是否可以被宿主酶、肠道微生物群或免疫细胞代谢，但目前的理解是大多数NPs通过粪便排出，特别是那些通过饮食摄入的NPs，而覆盖NPs的化学添加剂更可能通过尿液排出。
然而，由于NPs难以可靠地分离、表征和量化，目前关于人体组织中NPs的数据仍然不确定。投资于改进NP检测方法的研究对于理解其在人体中的分布、积累和潜在健康后果至关重要。
NPs可能引起毒性的潜在机制
NPs可能通过多种机制在体内引起毒性，这些机制可以分为三类：物理、化学和生物。塑料的物理特性可能导致炎症、细胞/组织损伤和细胞过程的阻塞。NPs还已知与化学污染物和生物毒素相关联，充当“特洛伊木马”，将这些有毒化合物携带到全身。
在环境中，MNPs暴露于一种化学“汤”中，其中包括持久性有机污染物（POPs）、有毒金属和农药。多环芳烃（PAHs）是车辆尾气和香烟烟雾中产生的致癌化合物，与聚苯乙烯（PS）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）NPs密切相关，并促进它们进入细胞。MNPs还已知与许多POPs、金属、PFAS等结合，这些组合比单独的有毒物质对生物体的危害更大。
NPs具有相对较大的表面积和高反应性表面，这使它们能够与大量物质相互作用，包括金属、有机和无机化合物以及其他NPs（表1）。这些相互作用还可以使NPs与各种化学物质形成更大的颗粒（聚集体），其中一些可能是有毒的。这些聚集体的独特组成可能会影响其毒性，使得很难定义不同环境NPs的一般毒性效应。一些NPs本身足够小，可以被运输或被细胞摄取，可能会带来有毒化学物质。NPs的反应性表面可以与细胞膜相互作用，导致膜破坏和随后的细胞死亡。细胞损伤和死亡会刺激炎症反应，如果持续存在，可以促进各种疾病的发展。在细胞内部，NPs可能通过直接作用或释放附着在其表面的反应性有毒化学物质来损害细胞。NPs可以通过干扰线粒体功能和/或耗尽细胞抗氧化剂来促进氧化应激，导致有害的活性氧（ROS）水平升高。它们还可能扰乱内质网（ER）的功能，导致异常蛋白质错误折叠，从而引发内质网应激并可能引起细胞死亡。
NP毒性另一个值得关注的领域是NPs对细菌和病毒的吸附和运输，正如在较大的微塑料上所观察到的那样。细菌能够在MPs表面形成生物膜，这为细菌在微塑料上定植创造了一个粘性、疏水的表面。这种生物膜允许在摄入或吸入时将有害细菌带入体内，以及共运输嵌入生物膜中的高毒性污染物，如全氟和多氟烷基物质（PFAS）。SARS-CoV-2和流感A病毒已被证明可以附着在MPs上，如果吸入，可以通过这些病毒传播感染。然而，尚未确定细菌或病毒是否可以附着在NPs表面或与NPs聚集。细菌可能太大（0.1 - 10 微米）无法附着在单个NP表面，但聚集体可能提供足够的表面供某些细菌定植。病毒的平均大小在20 - 400 纳米之间，这表明病毒可能足够小，可以附着在NPs上。
图2：纳米塑料（NPs）在肠道中的影响。NPs可以：(A) 改变局部微生物群落，导致菌群失调；(B) 减少肠道黏液层；(C) 增加肠道通透性；(D) 激活肠道内衬的巨噬细胞分泌促炎细胞因子；(E) 诱导损伤相关分子模式（DAMPs）的表达，这是一种激活肠道内促炎反应的信号。蓝色点代表NPs。图表使用BioRender.com创建。
有什么证据表明NPs会导致人类健康不良影响？
越来越多的证据表明NPs与人类健康不良影响有关。最近对职业暴露人群的流行病学研究发现，塑料生产工人患多种癌症、神经毒性以及生育能力下降的风险增加，而塑料回收工人则出现心血管疾病、有毒金属中毒、神经病变和肺癌的发病率增加。生活在塑料生产和废物处置场所附近的社区表现出早产、低出生体重、哮喘、儿童白血病、心血管疾病、慢性阻塞性肺病（COPD）和肺癌的风险增加。新兴数据表明，生命阶段是确定对塑料相关健康影响脆弱性的关键因素，胎儿和幼儿尤其敏感。
以下是对NPs对肠道、肺、大脑和生殖系统影响的概述。肠道和肺是通过摄入或吸入接触塑料后的首要受影响器官系统。流行病学研究表明，大脑、生殖系统和发育中的生物体是关注的重点。
NPs对肠道的影响
由于摄入是NPs的主要暴露途径，胃肠道对NPs有很高的暴露量。但NPs实际上对肠道做了什么？虽然这是一个新兴领域，但我们对NPs对肠道健康影响的理解正在迅速扩展。
存在于食物和水中的NPs与肠壁发生物理接触，可以通过间接或直接机制对肠道功能产生负面影响（图2）。间接机制包括NPs干扰肠道处理必需营养素的能力，特别是脂肪。虽然一些动物和细胞模型研究表明，暴露于NPs后脂肪消化和吸收减少，但其他研究则报告了相反的结果。脂肪吸收减少或吸收不良可导致不健康的体重减轻和腹泻等消化问题，而脂肪吸收增加可促进与代谢功能障碍相关的体重增加。此外，由于膳食脂肪吸收是吸收必需脂溶性维生素所必需的，NPs抑制脂肪吸收可能导致维生素缺乏。早期研究表明，MNPs可能特别影响维生素D的吸收。这一点尤其令人担忧，因为维生素D缺乏症在美国成年人中影响四分之一，与多种慢性疾病状态有关。
肠道不仅是主要的营养吸收部位，还是外部环境与内部组织之间的关键屏障。NPs与肠壁的相互作用可以直接损伤上皮屏障，导致细胞损伤和炎症。由此导致的肠屏障完整性受损表现为肠壁上的小间隙，导致“漏肠综合征”，即原本会被保留在胃肠道腔内并通过粪便排出的有害物质和细菌能够轻易穿过肠壁进入体内。一旦进入系统循环，这些有害物质就会分布到全身各处，触发远离肠道的组织炎症。
纳米塑料还被证明可以改变肠道微生物组。肠道微生物组由居住在整个胃肠道中的病毒、细菌和其他微生物组成，其中大肠中的浓度最高。这些微生物支持人类健康，而肠道微生物组的破坏与癌症、自身免疫疾病、代谢紊乱和所有主要器官系统的慢性疾病有关。
NPs可以通过多种机制影响微生物组。首先，NPs可能改变肠道环境，使某些细菌种类比其他细菌更具生存优势。健康的肠道依赖于微妙的微生物平衡，破坏这种平衡（称为肠道菌群失调）可以改变肠道微生物多样性，这与负面健康结果相关。例如，微生物失调增加了病原体在肠道定植和通过漏肠进入血液的机会。细菌还可能能够将NPs分解成更小的颗粒，这些颗粒更容易穿过肠屏障进入系统血液循环。虽然有证据表明NPs可以引起菌群失调，并且已知肠道菌群失调会导致广泛的健康影响，但NPs对肠道微生物组的长期影响及其对人类健康的后果仍有待确定。
一旦进入胃肠道，NPs还可能被肠道免疫细胞摄取。肠道包含几种类型的免疫细胞，可以抵御有害细菌和对食物的过敏反应。然而，当这些细胞遇到NPs时，它们可能会像应对有害入侵者一样作出反应。这会导致免疫细胞释放信号分子，触发体内的炎症。尽管这一现象尚未在人类中进行研究，但实验模型的研究已经建立了NPs在肠道毒性中的免疫细胞目标。例如，在斑马鱼中，NPs会引起肠道炎症，改变粘液产生，并改变肠道内衬的保护性免疫细胞。类似的结果也在小鼠模型中被描述。
肠道巨噬细胞（一种采样肠道内容物以识别有害实体的免疫细胞）摄取NPs可以损害巨噬细胞的内部细胞器，导致巨噬细胞释放称为危险相关分子模式（DAMPs）的分子。DAMPs会触发该区域的巨噬细胞和其他免疫细胞释放导致炎症的细胞因子。此外，肠道中的特定细胞类型可以将NPs转运到淋巴系统。一旦在淋巴中循环，NPs可以调节全身各种细胞类型的信号通路和基因表达，从而改变其功能。
(全文结束)