國儀量子場發射掃描電鏡助力納米塑料研究！SEM5000看見不同粒徑PS-NPs的真實形貌

——中國科學院沈陽應用生態研究所“環境污染過程與效應創新組群"徐明愷研究員團隊聯合中國醫科大學盛京醫院李鐵剛團隊《EES》：聚苯乙烯納米塑料重復呼吸道暴露可致小鼠持續性肺損傷與纖維化

微納塑料作為一種新型污染物，正日益受到關注。其中，納米塑料具有密度低、粒徑小、比表面積大和易分散等特征，可在空氣中長期懸浮并廣泛傳播，進而經呼吸道被生物體吸入并進入肺組織，對呼吸系統健康構成潛在威脅。然而，目前人們對吸入納米塑料的毒性效應及其毒理機制仍缺乏系統認識，尤其是重復暴露及停止暴露后恢復階段的持續毒性，尚有待深入研究。

針對上述問題，中國科學院沈陽應用生態研究所“環境污染過程與效應創新組群"徐明愷研究員團隊聯合中國醫科大學盛京醫院李鐵剛團隊，以25、100和500nm聚苯乙烯納米塑料（PS-NPs）為研究對象，借助國儀量子場發射掃描電子顯微鏡觀察PS-NPs的形貌，并結合粒徑分析完成暴露材料的基礎表征與質量核驗，為后續粒徑效應比較提供可靠的實驗起點。該研究構建了小鼠重復呼吸道暴露模型，并設置4周重復暴露期和2周恢復期。結果顯示，納米塑料進入機體后主要在肺組織中累積，可進一步分布至心、肝、脾和腎等器官，同時伴隨外周血白細胞數量減少。連續暴露可削弱肺泡上皮屏障功能，增強肺組織炎癥和氧化應激反應，繼而導致肺功能異常、膠原沉積增加及纖維化相關改變。值得注意的是，25nm顆粒表現出更強的肺部累積和毒性效應；即使停止暴露2周后，部分肺損傷、炎癥及纖維化指標仍未恢復至對照水平。進一步分析提示，巨噬細胞極化狀態的改變，尤其是由炎癥相關M1表型向修復/重塑相關M2表型的轉變，可能參與了納米塑料誘導的肺纖維化進程。該研究以“Repeated inhalation exposure to polystyrene nanoplastics induced sustained pulmonary injury and fibrosis in mice"為題發表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》期刊上。

不同粒徑納米塑料的形貌與粒徑表征

在開展動物暴露實驗前，研究團隊首先對25、100和500nm的PS-NPs進行了表征。使用國儀量子SEM5000場發射掃描電子顯微鏡，觀察到三種PS-NPs均呈較規則的球形顆粒形貌，不同粒徑顆粒的尺度差異清晰可辨（圖S1A）。進一步結合納米粒度分析儀測定水動力粒徑，PS-NP25、PS-NP100和PS-NP500的主峰分別為27.64、113.90和549.60nm（圖S1B）。

掃描電鏡表征從形貌層面確認了暴露材料的基本特征，粒徑分析則反映了顆粒在分散體系中的實際尺寸狀態。二者相互補充，為后續比較不同粒徑納米塑料的體內行為及毒性效應提供了可靠的材料基礎。

圖S1. 不同粒徑PS-NPs的表征

論文采用國儀量子場發射掃描電鏡SEM5000觀察PS-NPs的形貌

PS-NPs在小鼠體內的累積與分布

為追蹤納米塑料在小鼠體內的分布，研究團隊利用尼羅紅標記的PS-NPs，結合IVIS活體光學成像和熒光顯微鏡技術進行了相關實驗。結果顯示，PS-NPs暴露后，納米塑料信號主要集中于肺部，同時可在心、肝、脾和腎等器官中檢測到（圖1B、C）。停止暴露2周后，肺組織中仍保留明顯熒光信號，提示吸入的納米塑料在肺內具有一定的持續滯留特征。

不同粒徑PS-NPs的肺部累積程度存在差異。停止暴露2周后，高劑量PS-NP25、PS-NP100和PS-NP500組在肺組織中的熒光信號分別保留至暴露期末水平的84.55%、71.03%和55.41%（圖1D）。其中，小粒徑顆粒的肺部累積更為明顯，提示粒徑可能影響納米塑料在呼吸系統內的清除與累積過程。

圖1. PS-NPs呼吸道暴露后在小鼠體內的累積與分布

PS-NPs暴露損傷肺泡上皮屏障

肺泡上皮屏障由緊密連接、肺表面活性物質及黏液層等共同構成，是維持肺部防御功能和組織穩態的重要基礎。研究團隊檢測了緊密連接蛋白Occludin、肺表面活性蛋白D（SP-D）及黏蛋白相關基因Muc5ac和Muc5b，以評估PS-NPs對肺泡上皮屏障的影響（圖2）。

結果顯示，4周暴露后，PS-NP25和PS-NP100組Occludin表達顯著下降；停止暴露2周后，PS-NP25和PS-NP100高劑量組的Occludin表達仍顯著低于對照組，而PS-NP500組未見顯著變化。三個粒徑的高劑量組SP-D表達在暴露期均顯著降低，且粒徑越小，下降越明顯。

此外，PS-NPs總體下調Muc5ac和Muc5b轉錄水平，小粒徑PS-NPs影響更明顯。停止暴露2周后，Muc5ac仍顯著降低，提示肺部黏液層損傷具有持續性；PS-NP500對Muc5b的影響相對較弱。總體而言，PS-NPs可對肺泡上皮屏障造成粒徑依賴性損傷，小粒徑顆粒引起的影響更強且更持久。

圖2. PS-NPs呼吸道暴露對小鼠肺組織Occludin、SP-D表達及黏蛋白基因轉錄的影響

炎癥與氧化應激伴隨肺組織病理損傷

組織病理學結果顯示，PS-NPs暴露后，小鼠肺組織出現肺泡壁增厚及炎性細胞浸潤等病理改變，其中PS-NP25組最為明顯，且停止暴露2周仍可觀察到部分異常結構（圖3A）。在炎癥反應方面，PS-NP25和PS-NP100暴露組肺組織CD45陽性信號顯著增加，且劑量越高，炎性細胞浸潤越明顯；停止暴露2周后各組CD45水平雖有所下降，但PS-NP25和PS-NP100組仍高于對照組。ROS檢測顯示，所有高劑量組均出現顯著氧化應激，且顆粒越小、劑量越高，ROS信號越強；停止暴露2周后，ROS水平仍保持顯著升高（圖3B–D）。這些結果表明，PS-NPs可誘發肺組織炎癥和氧化應激反應，且小粒徑顆粒引起的反應總體更為顯著。

圖3. PS-NPs吸入暴露對小鼠肺組織形態、CD45及ROS的影響

PS-NPs誘導肺功能下降及纖維化相關改變

研究進一步評估了PS-NPs暴露后小鼠的肺功能及肺組織纖維化相關變化。結果顯示，除吸氣時間（Ti）外，呼吸頻率（f）、潮氣量（TV）、特殊氣道阻力（sRaw）和呼氣時間（Te）均受到PS-NPs暴露影響（圖4A）。

Masson染色顯示，PS-NPs暴露后肺組織膠原纖維沉積增加。暴露期末，所有高劑量組的膠原容積分數均顯著升高；在低劑量組中，PS-NP25和PS-NP100也可顯著增加膠原容積分數。停止暴露2周后，PS-NPs高劑量組的膠原容積分數仍顯著高于對照組（圖4B、C）。

同時，肌成纖維細胞標志物α-SMA表達總體呈升高趨勢，與膠原沉積變化基本一致（圖4D、E）。上述結果表明，PS-NPs暴露可引起肺功能異常及肺纖維化相關改變，其中小粒徑PS-NPs表現出更明顯的效應，且部分指標在停止暴露2周后仍未恢復至對照水平。

圖4. PS-NPs呼吸道暴露對小鼠肺功能、膠原纖維沉積及肺組織α-SMA表達的影響

PS-NPs誘導小鼠肺組織巨噬細胞極化

為探討PS-NPs對巨噬細胞極化的影響，研究團隊檢測了M1型巨噬細胞標志物iNOS、M2型標志物CD206及相關細胞因子的表達（圖5）。在暴露期末，除低劑量PS-NP500組外，其余PS-NPs處理組的iNOS和CD206表達均顯著升高，表明重復暴露可同時引起炎癥相關M1型和修復/重塑相關M2型巨噬細胞反應。

停止暴露2周后，iNOS表達較暴露期末有所下降，但仍高于對照組；CD206表達則進一步升高，導致iNOS/CD206比值下降。RT-qPCR結果顯示，促炎因子IL-1β和TNF-α整體呈上調趨勢，其中PS-NP25組的TNF-α在暴露期末和停止暴露2周后均顯著升高；與M2型極化相關的IL-4和IL-10在高劑量PS-NP25組中也顯著升高，且停止暴露2周后的表達水平高于暴露期末。

上述結果表明，PS-NPs暴露后肺組織中的巨噬細胞極化呈動態變化特征，并可能參與肺纖維化相關過程；總體而言，小粒徑顆粒誘導的M1型和M2型巨噬細胞極化反應更為明顯。

圖5. PS-NPs吸入暴露對小鼠肺組織巨噬細胞極化的影響

PS-NPs誘導小鼠外周血參數的改變

為進一步評估PS-NPs重復暴露的全身效應，研究團隊檢測了小鼠外周血細胞指標（圖6）。結果顯示，在暴露期末和停止暴露2周后，各處理組紅細胞（RBC）和血小板（PLT）數量與對照組相比均未出現顯著差異。PS-NPs暴露后外周血白細胞（WBC）數量總體呈下降趨勢，停止暴露2周后，低劑量組WBC數量已恢復至對照水平，而高劑量組顯著低于對照組。此外，各處理組淋巴細胞（LYMPH）比例總體升高，粒細胞（GLC）比例相應降低，提示PS-NPs暴露可能改變外周血白細胞數量及其細胞組成。

圖6. PS-NPs對小鼠外周血參數的影響

總結：本研究表明，重復呼吸道暴露于PS-NPs可使顆粒在小鼠肺組織中持續累積，并進一步分布至心、肝、脾和腎等器官，同時伴隨外周血白細胞數量減少。肺內顆粒累積伴隨肺泡上皮屏障受損、肺組織病理改變、炎癥和氧化應激，并出現肺功能及纖維化相關改變。小粒徑PS-NPs在肺部的累積更明顯，相關肺損傷也更為突出，且部分指標在停止暴露2周后仍未恢復至對照水平。研究還初步提示，巨噬細胞極化的動態變化可能與PS-NPs誘導的肺纖維化進程相關，為評估空氣中納米塑料的潛在呼吸健康風險提供了科學依據。