欧洲环境科学：聚苯乙烯纳米塑料对乳腺癌和正常细胞的毒性影响：活力、细胞死亡、细胞周期和抗氧化酶活性

文摘 2025-01-06 19:21 浙江

摘要

1、背景

环境中的纳米塑料由于人类暴露其中而对健康构成潜在风险，因此有必要对其细胞效应展开研究。本研究旨在评估聚苯乙烯纳米塑料（PS-NH2）对MDA - MB - 231乳腺癌细胞和HFF - 2成纤维细胞的毒性及抗菌特性，同时评估它们的氧化应激反应。此外，本研究还探讨了PS-NH2的抗肿瘤作用和诱导细胞凋亡的效果。主要目标是确定不同浓度和尺寸的PS-NH2的细胞毒性、抗菌功效以及氧化应激反应。本研究还旨在探究细胞死亡机制，包括细胞凋亡、坏死、细胞周期阻滞以及抗氧化酶（超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽过氧化物酶（GPx））活性的变化。

表征方法

利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、场发射扫描电子显微镜（FESEM）和zeta电位分析对纳米塑料的特性进行表征。采用琼脂稀释法评估抗菌效果，而MTT法用于测定MDA - MB - 231和HFF - 2细胞的细胞毒性。同时评估了细胞凋亡、坏死、细胞周期阻滞以及抗氧化酶（SOD、GPx）的活性。

结果

FTIR分析证实了PS-NH2的氨基官能化，在3386 $cm^{-1}$处有一个宽峰，zeta电位表明其带中性电荷。PS-NH2在尺寸为90 nm、200 nm和300 nm时，对大肠杆菌或金黄色葡萄球菌均无抗菌活性。细胞毒性试验显示，两种细胞系的细胞活力均呈剂量依赖性下降。随着PS-NH2浓度的增加，SOD和GPx的活性显著降低。两种细胞系均发生了细胞凋亡，细胞在G1期和亚G1期积累，表明发生了凋亡性细胞死亡。

结论

PS-NH2对MDA - MB - 231和HFF - 2细胞表现出剂量和尺寸依赖性的细胞毒性。较小的粒径和较高浓度的PS-NH2会增强氧化应激，导致细胞凋亡和细胞周期阻滞。

关键词

乳腺癌；纳米塑料；谷胱甘肽过氧化物酶；聚苯乙烯；超氧化物歧化酶

正文

1.研究背景：

塑料在现代文明中不可或缺，纳米塑料因在环境中的广泛存在及潜在毒性受到关注。研究发现聚苯乙烯纳米塑料（PS - NPs）在人体中被检测到，其对多种细胞系及生物均有不同程度影响。鉴于全球癌症发病率上升，尤其是女性乳腺癌的情况，有必要研究纳米塑料对乳腺癌细胞和正常细胞的作用。该研究旨在评估PS-NH2对MDA - MB - 231乳腺癌细胞和HFF - 2成纤维细胞的毒性、抗菌性及氧化应激反应，探索其抗肿瘤及诱导细胞凋亡效果。

2. 材料与方法

- 材料准备：MDA - MB - 231和HFF - 2细胞取自德黑兰干细胞技术研究中心，不同尺寸的PS-NH2纳米颗粒购自中国天津赛尔群科技公司。

- 纳米塑料表征：利用FTIR、FESEM和zeta电位分析对聚苯乙烯纳米塑料（PS-NH2）进行表征。

- 实验测定：MTT法测定细胞毒性；琼脂扩散法和最小抑菌浓度（MIC）实验评估抗菌活性；流式细胞术分析细胞凋亡和坏死；流式细胞术结合PI染色进行细胞周期分析；用诊断试剂盒检测SOD和GPx酶活性。所有实验重复三次，采用双因素方差分析等进行统计分析。

3. 研究结果

- 纳米塑料特性：FTIR分析证实PS-NH2存在氨基官能化，FESEM图像显示其为球形且形态均一，zeta电位分析表明其电荷接近中性。

FTIR 光谱。 b PS-NH₂系列FESEM 扫描电子显微镜显示纳米颗粒呈球形，外观规则且均匀。这些图像是用 500 nm 的放大倍率拍摄的。 C PS-NH₂ 的 zeta 电位纳米粒子表明这些粒子的电荷近似为中性。

- 细胞毒性：借助 MTT 法检测发现，在 MDA - MB - 231 和 HFF - 2 两种细胞系中，PS-NH₂的毒性效应随浓度上升和时间推移而增强，且更小尺寸的纳米颗粒表现出更强的毒性。双因素方差分析结果显示，PS-NH₂的时间、浓度和尺寸因素对乳腺癌细胞存活的影响显著。独立 t 检验表明，两种细胞的平均存活率无显著差异，说明PS-NH₂对它们的细胞活力影响总体相近。90 nm、200 nm 和 300 nm 的在 72 小时的半数抑制浓度（IC50）约为 500 µg/ml，24 小时约为 250 µg/ml。其中 90 nm 的颗粒在浓度为 2000 µg/ml 且作用 72 小时时毒性最高。

图：暴露于 PS-NH ₂的 MDA-MB-231 细胞活力，在 24、48 和 72 小时内对 90、200、300 nm 大小进行检测（P < 0.001）

- 抗菌作用：琼脂稀释法和MIC实验表明PS-NH2对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌无抗菌活性。

- 细胞凋亡与坏死：通过流式细胞术分析发现，随着PS-NH2浓度的增加，两种细胞系中活细胞的百分比下降，更多细胞进入凋亡和坏死阶段。PS-NH2纳米颗粒尺寸增加时，其对两种细胞的影响减小。具体而言，PS-NH2增加浓度（从 500 µg/ml 到 2000 µg/ml）并减小其尺寸至 90 nm，凋亡细胞百分比显著增加。HFF - 2 细胞在 90 nm、500 µg/ml 的处理 48 小时后，诱导的最高凋亡率达到50% 。

图：Flow cytometry results of MDA-MB 231 cells exposed to PS-NH₂ nanoparticles after 48 h

- 细胞周期：两种细胞系在G1和亚G1期积累，表明发生凋亡，且不同浓度和尺寸的PS-NH2对细胞各周期占比有不同影响。

- 抗氧化酶活性：随PS-NH2浓度增加，SOD和GPx酶活性在两种细胞系中先升后降，且不同尺寸的纳米颗粒对酶活性影响有差异。

4. 讨论

- 纳米塑料性质与影响：PS广泛应用且难降解，PS-NH2纳米颗粒因表面电荷可能导致粒子聚集。

- 细胞毒性机制：PS-NH2可能通过激活凋亡信号通路、导致线粒体功能障碍等途径影响细胞，且对两种细胞的影响有差异，HFF - 2细胞对其更敏感。

- 与其他研究对比：该研究结果与其他关于纳米塑料对细胞毒性及诱导凋亡等方面的研究结论相符，如对斑马鱼、大鼠卵巢颗粒细胞等的研究。

5. 结论

- 细胞毒性特点：PS-NH2对两种细胞系的毒性随浓度和暴露时间增加而增强，小尺寸纳米颗粒毒性更强；HFF - 2细胞对其毒性更敏感，MDA - MB - 231细胞耐受性相对较高。

- 细胞死亡形式：MDA - MB - 231细胞主要以凋亡形式死亡，HFF - 2细胞坏死发生率更高。

- 抗氧化酶作用：纳米颗粒浓度增加与GPx活性降低相关，SOD活性先升后降，抗氧化能力失衡会导致氧化应激和细胞死亡。该研究揭示了PS-NH2与癌细胞、正常细胞的复杂相互作用，为癌症治疗研究提供参考。

Sadeghinia, H., Hanachi, P., Ramezani, R., & Karbalaei, S. (2025). Toxic effects of polystyrene nanoplastics on MDA‑MB‑231 breast cancer and HFF‑2 normal fibroblast cells: viability, cell death, cell cycle and antioxidant enzyme activity. *Environmental Sciences Europe*, 37(1). https://doi.org/10.1186/s12302-024-01026-0

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