生物可降解塑料需警惕！北京大学姜辉团队首次报道聚乳酸微/纳米塑料侵入精子，诱导生殖毒性

学术 2025-01-28 08:53 中国香港

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

塑料的广泛应用极大程度推动了工业化文明和社会经济的发展，这也导致了微塑料（MP）和纳米塑料（NP）在人类生活环境中的无处不在，造成严重的环境污染问题。现有研究表明，人类每周微塑料颗粒的摄入量在 0.1-5 克左右。

为了减轻塑料污染，人们引入了生物可降解塑料作为传统石油基塑料的环保替代品。聚乳酸（PLA）是全球生产和消费最多的生物可降解塑料，广泛用于食品包装、一次性餐具的制造和作为生物医学递药的载体。尽管 PLA 被认为是“生态友好”型塑料，但是在人类和小鼠模型研究中发现，PLA 的摄入会引发炎症，同时，PLA 会比传统石油基塑料产生更多的微塑料，这意味着其可能具有更大的潜在隐患。

因此，PLA 暴露对人体健康的毒理学效应值得深入研究，特别是当前学界仍然缺乏其对生殖系统毒性作用的认知。

2025 年 1 月 27 日，北京大学第一医院姜辉教授团队等在材料科学领域权威学术期刊 ACS Nano 上在线发表了题为：Polylactic acid micro/nanoplastic exposure induces male reproductive toxicity by disrupting spermatogenesis and mitochondrial dysfunction in mice（聚乳酸微/纳米塑料暴露，通过破坏小鼠精子发生和线粒体功能障碍来诱导雄性生殖毒性）的研究论文。

该研究首次揭示了聚乳酸微/纳米塑料（PLA-MP/NP）对雄性小鼠生殖系统的毒性作用，且毒性机制可能与传统石油基微塑料一致，为生物可降解塑料的环境风险评估提供理论依据。

不孕不育症是一个全球性的公共卫生问题，是仅次于癌症和心血管疾病的全球第三大顽固性疾病。弱精症是导致男性不育的主要因素之一，而环境污染被认为是造成男性生育力下降的重要因素，这使得环境污染物对生殖健康的影响成为一个广泛关注的热门话题。

该团队之前的研究已经证实了男性生殖系统中存在微塑料，而传统石油基聚苯乙烯（PS）微塑料也被证实可引起人类男性青春期前睾丸损伤并威胁生育能力，但聚乳酸（PLA）对男性生殖功能影响的研究仍处于空白。为此，该研究团队通过对小鼠进行为期 56 天的重复剂量口服毒性研究，使用了环境相关剂量（10 mg/kg/d、100 mg/kg/d）和危害识别剂量（1000 mg/kg/d）的聚乳酸微米塑料（PLA-MP），探讨了 PLA-MP 暴露对雄性成年小鼠的生殖毒性损伤作用。

体内荧光成像和透射电镜显示，PLA-MP 进入小鼠体内后可通过血液系统穿透血睾屏障进入睾丸微环境中，并在小鼠睾丸内大量积聚，诱导显著的生殖毒性，包括精子数量减少、活力降低、畸形率升高以及性激素水平紊乱等。此外，实验还发现 PLA-MP 会导致大量生精小管退化、生殖细胞脱落、生殖上皮组织紊乱等组织病理学变化。特别是睾丸内生精空间增大，一些生精小管中的精子完全消失，表明睾丸结构被严重破坏。这些变化加强了研究团队对暴露于 PLA-MP 会诱导小鼠雄性生殖毒性的推测。

线粒体结构的改变是环境污染物诱发毒性的重要机制，而线粒体功能障碍被认为是微塑料诱导毒性的关键机制。研究团队发现，PLA-MP 暴露后，可被细胞内化并在线粒体中积聚。内化的 PLA-MP 会引起线粒体的形态改变，如肿胀、大小增加、空泡化增加和管状嵴形成等，并出现线粒体自噬体。活性氧（ROS）是细胞氧化应激的重要指标，微塑料对 ROS 的积累和生成具有剂量依赖性，ROS 产生升高引起的线粒体功能受损会进一步加剧氧化应激，形成线粒体持续损伤的恶性循环。因此，研究团队检测了氧化应激相关指标，结果显示，线粒体暴露于 PLA-MP 会诱发氧化应激代谢产物显著增加。

细胞内 ROS 水平的增加和线粒体形态的变化，以及氧化应激的加剧，促使研究团队进一步去探究 PLA-MP 暴露对细胞线粒体功能的影响。研究团队通过评估了精母细胞 GC-2 的 Ca²⁺水平、ATP 生成和线粒体膜电位（MMP）等线粒体功能指标，来评估 PLA-MP 对线粒体完整性和功能的影响及其相关机制。结果显示，PLA-MP 暴露导致 GC-2 细胞中 MMP 和 ATP 水平降低，同时显著增加 Ca²⁺信号。这表明，线粒体功能障碍可能是 PLA-MP 暴露后的一个敏感指标。

线粒体鞘是精子鞭毛的一部分，在维持精子活力方面起着至关重要的作用，其结构异常可导致男性不育。为探讨 PLA 是否侵入小鼠精子并造成线粒体鞘损伤，研究团队采用透射电镜观察小鼠精子中段超微结构。正如研究团队预期的那样，PLA-MP 暴露后，一定数量的纳米级 PLA 颗粒附着在精子中段。特别是，聚乳酸纳米塑料（PLA-NP）颗粒甚至可以穿过精子内部到达线粒体鞘，并参与了线粒体解体的过程。此外，PLA 还破坏了精子内部的氧化还原稳态并触发氧化应激，造成精子线粒体结构与功能的损伤。

为了进一步探究 PLA-MP 引起生殖毒性的分子机制，研究团队对高剂量暴露组小鼠的睾丸组织进行了转录组学分析。结果显示，PLA-MP 显著下调了多种与精子发生相关的关键基因（如C3、Pde7b、Wt1和Dkk3），并影响了钙离子转运等与线粒体功能密切相关的通路。这些结果表明，PLA-MP 通过抑制精子发生关键基因的表达，导致精子质量下降并加剧生殖毒性效应。

工业化的快速发展，给人类带来了环境和生活方式的改变，微塑料污染对人类健康造成了严重威胁，特别是严重影响了男性生殖健康。在该研究中，研究团队首次报道了聚乳酸（PLA）对雄性小鼠的生殖毒性，并证明聚乳酸微塑料（PLA-MP）暴露后会穿透血睾屏障（BTB）、侵入睾丸微环境，并在睾丸组织内蓄积；同时诱导小鼠睾丸的氧化应激水平升高、血清生殖激素水平降低，导致小鼠睾丸发育障碍。此外，PLA-MP 降解成的纳米塑料会侵入精子线粒体鞘，破坏线粒体结构，提示了线粒体功能障碍是 PLA 诱导生殖毒性的潜在机制和早期关键影响。

总的来说，这项研究加强了生物可降解微塑料对人类健康毒理学影响的认识，为评估生物可降解塑料的健康风险提供新见解。PLA 作为一种常用的“环保”塑料，其在人体内的生物转化、生物分布和毒性的影响值得更多的关注。

北京大学第一医院姜辉、北京大学第三医院张哲、中国科学院生态环境研究中心李圆圆为论文共同通讯作者，北京大学第一医院博士生赵乾程为论文第一作者、北京大学第一医院博士后方子水和北京大学第三医院王鹏程为并列第一作者。

相关阅读：

2023 年 3 月，北京大学第三医院张哲、北京大学第一医院姜辉团队（北京大学第一医院博士生赵乾程、北京师范大学朱龙博士为第一作者）在 Science of the Total Environment 期刊发表了题为：Detection and characterization of microplastics in the human testis and semen 的研究论文【2】。

该研究在人类睾丸和精液中检测到了微塑料（MP）的存在，首次揭示了微塑料会污染人类男性生殖系统。此外，睾丸和精液中检测到的微塑料具有不同特征，睾丸中微塑料丰度明显高于精液，睾丸中微塑料主要是聚苯乙烯（PS），而精液中的微塑料主要是聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC），尺寸为 20-100 微米的微塑料在睾丸中占据主导地位，而精液中的微塑料尺寸相对更大。

论文链接：

1. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c15112

2. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.162713

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