综述：微/纳米塑料（MNPLs）与渐冻症（ALS）之间的潜在联系机制

1.渐冻症与暴露组学

渐冻症是一种进行性神经退行性疾病，可导致骨骼肌和呼吸肌瘫痪以及认知能力下降。ALS发病机制广泛，不同患者发病的分子亚型各不相同。与此同时，ALS的遗传变异也是不稳定的;大多数ALS患者缺乏致病的单基因突变，但已经发现了许多风险基因，每个基因的影响都很小，这强调了识别非遗传性ALS风险因素的必要性。

环境暴露(exposome)在ALS风险中的作用越来越受到关注。这一点尤其重要，因为这些暴露可能是可以改变的，并为ALS和其他更广泛的神经系统疾病的预防提供了希望。暴露于有毒物质或外源物会通过损害化学反应或酶、损害离子通道功能、破坏细胞膜或引起氧化应激或炎症，直接对健康产生负面影响。对健康的间接影响可能来自有毒物质的代谢产物，而不是有毒物质本身。或者，暴露也可以促进表观遗传修饰，在不改变DNA本身的情况下改变输出。表观遗传修饰包括DNA甲基化、组蛋白修饰、microRNA等。

TAR DNA结合蛋白43 (TDP-43)的错定位和核外聚集是ALS的病理标志。暴露于环境毒物中，包括二恶英、多氯联苯(常用于塑料)、多环芳烃或重金属神经毒物会增加TDP-43的水平，从而在环境因素与TDP-43相关疾病之间提供了联系。

暴露组（exposome）包括从产前开始的生命过程中的环境暴露(包括生活方式因素)。人类疾病负担的增加可能是由于更普遍的环境暴露与可能频繁但低渗透的遗传变异相互作用，暴露组学生物标志物在疾病研究中的作用不容忽视。越来越多的人认识到暴露组在影响神经退行性疾病中的作用，同时也越来越重视支持神经暴露组学的研究。在渐冻症中，有一些反复暴露类型会增加疾病风险，如农药、重金属暴露和体育活动。这种暴露组研究的一个复杂方面是考虑多种暴露对健康结果的综合影响，例如通过使用环境风险评分。当然，需要继续进行研究，以确定单独或与其他相关或不同暴露联合对风险影响最大的特定暴露。

2. 微/纳米塑料(MNPLs)及人类暴露于MNPLs的方式

2.1微/纳米塑料(MNPLs)及其来源

微塑料这个词是在2004年创造的，用来描述小的塑料颗粒。然而，目前还没有一个包罗万象的定义能够准确地涵盖所有可能描述微塑料的标准。微塑料被定义为“任何初级或次级来源的合成固体颗粒或聚合物基质，形状规则或不规则，尺寸从1 μm到5 mm不等，不溶于水”。塑料有许多不同的形状、大小和颜色，由聚合物和多种化学添加剂制成。初级颗粒从许多来源直接释放到环境中，而次级(风化)颗粒则由降解和破碎产生。在日常生活中，无论打开塑料包装的方法如何，都会产生微塑料。大多数塑料聚合物是低密度聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯。不稳定的塑料会因光降解和侵蚀而破碎，形成有毒的微纳米塑料。塑料不仅在其制造过程中含有有害化学物质，包括增塑剂(如双酚a)、紫外线稳定剂、润滑剂、染料(如重金属)和阻燃剂，而且它们也是环境中发现的一些有毒化学物质的载体。

可生物降解塑料已被商业化用于制造各种类型的产品，如垃圾袋、堆肥袋、聚乙烯袋和农业地膜，处理后可通过生物降解过程分解到环境中，其中涉及利用细菌和微生物产生的酶来破坏塑料的化学键，产生CO₂和H₂O。这导致大量的塑料颗粒具有更大的表面积与周围环境相互作用。然而，最令人担忧的是那些由石油合成的。环境中常见的塑料聚合物包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯。尽管塑料非常耐用，但它们会随着时间的推移而降解，释放出微塑料(1 μ m - 5 mm颗粒)和纳米塑料(<1 μ m颗粒)。

MNPLs在环境中积累，可在空气、水和土壤中检测到。人类的接触途径包括皮肤、口服摄入(受污染的水、食物、灰尘或塑料包装释放物)和吸入。人类最大的暴露是摄入。令人担忧的是，环境中的MNPLs水平预计将增加。

20世纪70年代，挪威探险家和民族学家托尔·海尔达尔(Thor Heyerdahl)率领一支探险队从摩洛哥到巴巴多斯，横跨大西洋，首次报道了海洋塑料碎片。在他的旅途中，他遇到了大量的塑料垃圾。微塑料广泛存在于所有生态系统中，包括许多人类食物和饮用水，并正在生成一个被称为“塑料科学”的新时代。当它们在空中飞行时，可以从它们的原始来源传播很远的距离。MNPLs可以是故意产生的(初级)，也可以是破碎和降解的结果(次级)，也可以是从服装的合成微纤维中释放出来的。主要来源包括工业洗涤剂和化妆品。此外，包括邻苯二甲酸酯(PAEs)在内的增塑剂可以共同污染，从而增加了这些颗粒的毒性。土壤和水中的MNPLs还可以吸收致病性重金属和有机污染物，如持久性有机污染物。

2.2. 人类暴露于MNPLs的方式

人类主要通过摄入接触到MNPLs，人类每年摄入量估计在数万至数百万MNPLs(每天几毫克)。含塑料的主要摄入物是饮用水、海鲜、蜂蜜、啤酒、食盐和牛奶，以及最近发现的叶类蔬菜。吸入和皮肤接触发生的频率较低，一些先进的药物输送系统也通过非肠道途径使人类暴露于MNPLs，包括静脉和颅内/脑应用。新生儿和婴儿通过母乳和母乳代用品接触到MNPLs。塑料瓶盖、塑料茶袋和婴儿奶瓶可以释放相当数量的MNPLs (见图1)。

图1：人类暴露于MNPLs的方式

MNPLs已从许多人体组织中分离出来，包括粪便、血液(即使在单次口服暴露后)、肺、母乳和配方奶粉以及结肠。受污染的血管组织允许微塑料运输到人体组织，有证据证实超细塑料穿过了血脑屏障(BBB)。在暴露过程中，非塑料颗粒获得由生物分子、有机物以及化学和生物污染物组成的环境生态电晕（eco-corona）。当塑料颗粒暴露于生物流体中时，这些物质会积聚在塑料颗粒表面，蛋白质-塑料相互作用使其能够通过血脑屏障。或者，MNPLs可能直接通过鼻嗅觉通路进入大脑。这一途径已被证明在动物模型中引起神经毒性，如海洋无脊椎动物、鱼类和啮齿动物。一些小尺寸的聚苯乙烯纳米塑料可以通过内吞作用进入神经元并在细胞质中积累。

3.MNPLs的毒性

3.1. 神经炎症和MNPLs

慢性炎症是渐冻症和其他神经退行性疾病发病机制的一个关键特征，也是MNPLs在所有研究组织中的主要毒性反应。被吸收后，它们与神经元和神经胶质细胞的相互作用取决于它们的表面特性和它们遇到的生物分子，包括碳水化合物、蛋白质和磷脂，它们形成一个称为“蛋白质冠（protein corona）”。体外研究表明，包裹有蛋白质冠的聚苯乙烯纳米颗粒促进易位，并可能改变其形式和特征，潜在地增加细胞相互作用和毒性。

神经元由于其有丝分裂后的性质和无法再生，可能比其他细胞更容易受到细胞毒性的影响，并且更依赖于ATP，使它们更容易受到与炎症相关的能量危机的影响。神经炎症级联反应由小胶质细胞和星形胶质细胞激活，并由关键的促炎细胞因子(IL-1β、IL-6和TNFα)介导，这些细胞因子调节粘附分子表达、细胞生长、细胞分裂和凋亡。细胞外信号趋化因子(CCL2、CCL5、CXCL1)、次级信使(一氧化氮和前列腺素)和活性氧(ROS)进一步介导该反应。

尽管塑料颗粒在大多数人体组织中得到了广泛的认识，但探索毒性炎症反应的研究在很大程度上依赖于动物模型或体外细胞培养模型的假设。在暴露于次级(风化)MNPLs的人脑源性小胶质细胞系(HMC-3)的体外实验中，显示出严重的炎症反应，但由于缺乏对不同颗粒类型、形状、大小和暴露浓度的比较，神经毒性结果的程度受到限制。在水生物种中，MNPL神经毒性诱导了典型的炎症反应，促炎细胞因子的产生增加，氧化应激产生ROS，线粒体功能障碍。神经递质系统，包括谷氨酸、GABA、血清素、组胺和ATP也受到损害，在渐冻症中，这些神经递质系统介导小胶质细胞的病理生理功能。

3.2 MNPL新生儿毒性

导致ALS的异常生物级联反应比临床症状早几年或几十年，有人假设散发性ALS的起因可能早在新生儿时期就开始进化。新生儿和围生期会产生复杂的神经元活动、强烈的神经发生、神经元回路的建立以及神经元分化和轴突出芽的细胞迁移。即使是小剂量的MNPLs也会影响这些过程，为后期的神经退行性疾病埋下伏笔。皮质神经元系统是ALS发病的关键，由于其大量的Betz多突触神经元，在发育过程中特别容易受到毒性的影响。

新生儿通过母乳、牛奶和婴儿奶粉等日常用品以及奶瓶和母乳储存袋等塑料制品不断接触到MNPLs。对人类粪便、胎儿和胎盘的研究提供了婴儿和儿童接触MNPLs的直接证据，在母乳和母乳替代品中也可以检测到MNPLs。妊娠期间羊水中已发现MNPLs。最近的一项高分辨率离体MRI研究显示，在母体接触聚苯乙烯纳米塑料后，小鼠的大脑异常，包括运动皮质和胼胝体(两者主要与ALS有关)。总的来说，越来越多的证据表明，在围生期暴露于MNPLs是有害的，特别是通过摄入，并且可以通过激活氧化应激反应和诱导细胞凋亡而对初级运动神经元产生毒性，从而损害运动表现。

在胚胎和新生儿时期，表观遗传机制负责形成中枢神经系统的早期发育程序，中枢神经系统对有毒环境特别敏感。表观遗传学在不改变DNA序列的情况下维持表型染色体的记忆，连接环境刺激和基因表达以及环境暴露于毒素(如纳米塑料)。表观遗传修饰微调基因表达以响应环境的变化。这些改变导致染色质重塑、DNA本身的直接共价修饰、组蛋白翻译后修饰和非编码RNA的活性。正常情况下，DNA和组蛋白修饰通过发育重编程在每一代中被删除并重新建立，并且终生表观遗传变化通常不会被后代遗传。然而，有证据表明，至少有一些表观遗传改变可以逃避表观基因组的重建，暴露个体的后代中发生的表观遗传谱改变表明了代际遗传。需要进一步的研究来确定与表观遗传修饰相关的MNPLs的特异性。

4.微/纳米塑料(MNPLs)与渐冻症的潜在联系机制

4.1脑肠轴与MNPLs

在人类中，口服摄入是MNPLs暴露的主要途径，胃肠道不断与这些小颗粒相互作用。微/纳米塑料诱导胃肠道系统炎症，促进肠道微生物群失调。异常的肠道微生物群和肠-脑轴（The Gut–Brain Axis）与所有主要神经退行性疾病(阿尔茨海默病、帕金森病、亨廷顿病和渐冻症)的发病机制有关。2015年首次报道了渐冻症患者的肠道生态失调，在过去的十年中，进一步的报道描述了渐冻症患者和啮齿动物模型中的肠道微生物组受损。

肠脑轴是一个双向通路。肠道微生物群和中枢神经系统之间的交流是多方面的，包括迷走神经，它将神经信号从大脑传递到肠道、脉管系统、免疫系统、淋巴系统和淋巴系统，以及下丘脑-垂体-肾上腺轴。肠道微生物及其代谢物以及肠道内分泌细胞分泌的肠道神经递质和激素可被运送到大脑，与宿主免疫系统相互作用。它们包括谷氨酸、多巴胺、乙酰胆碱和抑制性γ-氨基丁酸(GABA)。还有中间化合物，特别是短链脂肪酸和色氨酸。这些神经递质和分子产生的信号通过迷走神经传入传递到大脑。作为回应，大脑将信号传回肠壁的肠嗜铬细胞（enterochromaffin cells）和肠内分泌细胞，并通过迷走神经传入粘膜免疫系统(见图2)。

图2：MNPLs与脑肠轴

肠道微生物衍生的代谢物穿过肠道屏障，激活先天免疫细胞，促炎细胞因子(TNF-α， IL-1β， IL-6等)增加，随后诱导神经炎症。同样的代谢物可以穿过受损的血脑屏障，与大脑中的小胶质细胞相互作用，加剧神经炎症。

MNPLs可以直接突破肠道屏障。肠道内黏液层作为屏障，保护下层上皮细胞免受包括MNPLs在内的毒物的侵害。当它们到达内黏液层时，诱导形成具有复杂细菌群落的生物膜，这些生物膜随后降解并穿透上皮屏障。关于这方面的人类信息有限，但动物研究证实，接触MNPLs会导致肠道氧化损伤、炎症和免疫细胞毒性，并破坏肠道上皮。因此，MNPLs可以转移到二级结构，包括大脑。一些物种发生纳米塑料诱导的肠道生态失调，对健康产生影响。这种情况发生在斑马鱼，小龙虾和小鼠中，并且暴露于聚乙烯微塑料也会影响未成熟的人类和非人类肠道微生物群。肠道微生物组影响神经发育，当受损时可导致神经发育障碍。

TARDBP基因编码的TDP-43的截断、异常聚集和错定位到细胞质是ALS病理的标志。TARDBP是一种主要定位于细胞核的RNA结合蛋白。TDP-43的聚集被认为是ALS和额颞叶痴呆的病因。当TDP-43在神经元和神经胶质细胞的细胞核外发生突变或错位并形成细胞质包涵体时，可导致RNA剪接失调。这反过来又会导致神经元内转录组和蛋白质组的改变，从而改变基因产物的多样性和数量。在ALS早期，包括运动皮质内的Betz细胞在内的大锥体神经元中存在可溶性胞质TDP-43。这种有毒的TDP-43随后扩散到延髓和脊髓运动神经元，形成TDP-43聚集体。

最近的证据表明，TDP-43聚集物出现在几种非中枢神经组织中，特别是人体胃肠道组织，这是ALS患者在诊断其运动症状之前的常规临床实践的一部分。肠道中TDP-43的聚集不太可能是致病的，但它们很可能反映了大脑中类似的长期临床前阶段积累。目前尚不清楚TDP-43在肠道中的聚集是否与肠道屏障的破坏、生态失调和肠-脑轴的损伤有关。

4.2从MNPLs到ALS的通路

ALS的关键致病因素是DNA/ RNA结合蛋白TDP-43的错定位和聚集、皮质亢奋性和神经炎症。图3描述了这些物质如何相互作用以应对MNPL神经毒性。TDP-43是参与多种DNA和RNA加工的重要蛋白，包括基因转录、RNA前剪接、RNA翻译和降解，对正常的神经元健康至关重要。虽然TDP-43主要定位于细胞核，但它也穿梭于细胞核和细胞质之间，发挥各种生理功能。在应激条件下，如由MNPLs诱导的应激条件下，它最初会被短暂地招募到细胞质中的无膜应激颗粒中。应力颗粒的形成与病理性TDP-43包裹体的发育之间存在机制联系。即使TDP-43水平及其细胞内定位的微小变化也可高度预测神经退行性变化。TDP-43隐式剪接抑制的丧失发生在疾病进展早期，在症状前可检测到。TDP-43脑脊液浓度与纳米塑料呈正相关。炎症介导的氧化应激是对MNPL诱导的炎症的普遍反应，即使小剂量暴露在慢性暴露下也是有毒的。

MNPLs可诱导神经元兴奋性毒性。例如，聚苯乙烯纳米塑料可诱导斑马鱼幼体的神经兴奋。在秀丽隐杆线虫模型中，风化的纳米塑料显著降低了谷氨酸和GABA的传递功能，但GABA受影响的程度更大。GABA能回路的破坏改变了皮层兴奋和抑制之间的平衡(兴奋/抑制平衡)，这影响着正常脑功能，更具体地说，是由单突触皮质神经元投射介导的精细调节运动功能。

来自人体电生理研究和ALS动物模型的证据强烈支持皮层高兴奋性在ALS发病机制中起重要作用，并发生在临床症状出现之前。皮层高兴奋性与下游前角细胞的变性和丢失之间存在明确的联系。皮层高兴奋性是上端运动神经元兴奋性(谷氨酸能)输入增加和GABA能中间神经元抑制减少的综合结果。来自人体经颅磁刺激研究的证据表明，GABA能抑制的减弱在皮层兴奋性中起主导作用。ALS患者运动皮质GABA_A受体α1亚基下调，β1亚基mRNA上调，表明受体功能改变。由此产生的兴奋/抑制失衡是其他神经退行性疾病所共有的，并且可能是导致后续疾病的早期征兆。对秀丽隐杆线虫的研究表明，暴露于风化微塑料后，谷氨酸，特别是GABA显著减少，导致净兴奋毒性。

5.预防和治疗措施

人们正在积极探索塑料控制战略，并正在有效地减轻塑料污染及其对环境的影响。由聚合物塑料制成的一次性产品(饮料瓶、吸管、餐具、咖啡杯和袋子)被认为是塑料污染的重要来源，越来越多的法律禁止使用它们。然而，一些塑料材料，例如在冠状病毒流行(COVID-19)期间大量使用的口罩，很难回收。使用可生物降解塑料和改变个人行为有其自身的挑战，因此必须确保广泛宣传微塑料问题的各个方面，包括它们的起源、类型、影响和命运。值得关注的是，MNPL毒性发生在新生儿期，影响着后期的神经变性以及多代表观遗传。我们的重点需要放在将它们从空气和水生生态系统中成功清除的战略上。这些技术包括混凝、膜生物反应器技术、快速砂过滤和吸附，以及更多的创新技术，如电混凝、光催化降解、电化学氧化和磁分离。

摄入是人类塑料毒性的主要来源，导致肠道生态失调是早期的步骤。采用富含纤维、全谷物、水果和蔬菜的饮食可以促进肠道有益细菌的生长，同时避免加工食品。益生菌（Probiotics）有助于恢复肠道菌群的平衡，由于益生元（Prebiotics）是不可消化的纤维，它们可以增强肠道中的有益细菌。更具体地说，多酚的益生元作用通过调节细胞内信号通路影响神经退行性疾病的肠道微生物群。多酚的代谢物通过血脑屏障直接作为神经递质发挥作用。另一种方法是使用粪便微生物移植，其目的是恢复益生菌，重新平衡肠道微生物群，并重建免疫耐受。最近的一项双盲、对照、多中心研究发现，使用粪便微生物移植治疗ALS可调节神经炎症，改变疾病活动性和进展。

淋巴系统和脑膜淋巴管为大脑输送溶质和清除有毒物质提供了一条通路。该系统的损伤与几种与污染物相关的神经变性有关。与ALS特异性相关，这适用于TDP-43和谷氨酸，两者都是疾病发病的主要因素。淋巴系统通过将神经元周围的间质液(ISF)与“干净的”脑脊液(CSF)交换来清除脑内的代谢废物。废物清除包括内含TDP-43的有毒蛋白聚集体的清除，最近的研究表明神经元积极推动淋巴细胞清除废物。淋巴功能障碍在ALS病理中有重要作用，与早期ALS的睡眠障碍相关。MNPLs可能直接或间接损害淋巴功能，有一些策略旨在改善淋巴清除，这也可能减少MNPL诱导的神经毒性。

总结

与MNPLs指数增长有关的神经毒性和其他健康危害是新的研究。与MNPLs有关的人类健康危害正在得到认识，但信息主要来自非人类物种。MNPLs，尤其是在风化的情况下，可以破坏血脑屏障或通过鼻子到大脑的易位进入大脑。然而，在ALS中与MNPL毒性特异性相关的研究尚未报道，也没有神经病理学研究，也没有在ALS中与微塑料或纳米塑料相关的特异性生物标志物的报道。该综述前面提到的暴露组综合了由外部环境引起的外部暴露，它们在生物液体中的生物指纹，以及调节生物对环境反应的易感性因素。

神经退行性疾病暴露组学的新进展将增强我们对MNPLs在ALS中的毒理学作用的认识。由此产生的神经毒性反映在细胞浆内应激颗粒形成的炎症反应和随后形成的TDP-43聚集体，这是ALS的标志。涉及谷氨酸和GABA的神经递质异常，主要显示在非人类物种中，导致兴奋/抑制平衡改变，有利于抑制丧失。这诱发了皮层的高兴奋性，这是ALS的另一个重要致病机制。在人类中，摄入是MNPLs最常见的暴露途径，并引起急性和慢性肠道炎症，并破坏肠道屏障。由此导致的肠道微生物群失调与肠-脑轴的破坏与包括ALS在内的神经退行性疾病有关。在新生儿和幼儿期，通过母乳、母乳代用品和玩具暴露于MNPLs的可能性很大。由此诱发的低度慢性神经毒性可能为包括神经退行性病变在内的晚年疾病奠定基础。暴露于MNPLs应被视为ALS和其他神经退行性疾病的危险因素。

参考链接：

DOI: 10.3390/brainsci14050471