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早上想喝杯咖啡提提神,发现是用塑料杯装的;中午懒得做饭点个外卖,食物被塑料盒整整齐齐地装着;下午有点小饿想吃点下午茶,无论是面包还是饼干无一不是用塑料袋外包装装着......不知不觉间,人们早已被塑料包围了。

塑料污染已然成为全球面临的最紧迫的环境威胁之一,而其释放出的塑料碎片又会在物理、化学和生物的进一步降解后分解成为“更微小但更严重”的威胁,即微塑料或纳米塑料。

微塑料(Microplastic, MPs),是指直径小于5毫米的塑料碎片和颗粒,在塑料制品使用过程中释放,特别是食物用途的塑料制品.

纳米塑料(Nanoplastics, NPs),则是目前已知最小的微塑料,尺寸在1μm以下,体积小到可以穿过细胞膜。

当然,人们不会主动地“吃”塑料,但微塑料以及纳米塑料会通过多条途径进入人体,包括饮用水、海鲜、衣物、化妆品,甚至空气。这些“上天入地”的塑料微粒悄悄地混进人身体的各个器官,比如神经、心肺、肝脏等等,等待时机成熟而兴风作浪。

近日,Science Advances上最新刊登的研究揭露了微塑料的一大新罪证——纳米塑料能够进入大脑,与神经元中的蛋白纤维发生作用,从而加剧帕金森病的风险。这些“狡猾”的塑料微粒不仅仅是进入大脑这么简单,还诱导了严重的神经毒性,成为某些疾病的“铺路石”。

DOI: 10.1126/sciadv.adi8716

帕金森病(PD)和相关痴呆症是目前世界上发病率增长最快的神经系统疾病之一,其病理特征是α-突触核蛋白在脆弱的脑神经元中病理性积聚,可以说α-突触核蛋白是PD发病中的中心环节。

先前体外研究表明,由聚乙烯亚胺包被的聚苯乙烯纳米塑料会增加α-突触核蛋白的成核作用,具有推进PD的风险。此外,其他的微粒,比如二氧化硅或锆,同样具有使得α-突触核蛋白纤维伸长的作用。

为了探明塑料微粒与帕金森病之间的关系,第一步,研究者先在体外将高浓度的野生型人类α-突触核蛋白单体蛋白(~1 mg/ml)与聚苯乙烯纳米塑料(平均直径~39.5±0.7nm的1nM)进行混合。

结果显示,在阴离子纳米塑料污染物的催化下,α-突触核蛋白发生了聚集。具体来说,在α-突触核蛋白与纳米塑料污染物持续混合的6天后,产生了浑浊的白色泡沫界面,整体也出现了浑浊。使用负染色透射电镜(TEM)观察溶液中的产物发现,早在第3天就有多条α-突触核蛋白纤维从单个微塑料中发出。

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纳米塑料污染物与α-突触核蛋白的混合过程

第二步便是探究“how”——具体来说,阴离子纳米塑料是如何加速α-突触核蛋白的聚集的呢?

分子动力学(MD)模拟表明,α-突触核蛋白与阴离子纳米塑料形成了相当稳定的复合物,其特点是在两亲结构域和邻接非淀粉样成分(NAC)结构域中具有很强的静电吸引和压实作用。然而,如果使用中性或阳离子纳米塑料来取代阴离子纳米塑料时,则未能形成类似的复合物。

仔细观察发现,阴离子纳米塑料能够置换水,插入α-突触核蛋白的两亲结构域和NAC结构域,并与之形成强烈的相互作用。正是两亲结构域和NAC结构域的存在,促成了阴离子纳米塑料与α-突触核蛋白的特异性结合,从而促进α-突触核蛋白成核。

与此同时,阴离子纳米塑料还会导致神经元的轻度溶酶体损伤,减缓α-突触核蛋白聚集体的降解。生成的增多,降解的减少,自然会导致“不平衡”的发生。

阴离子纳米塑料与α-突触核蛋白共同形成了稳定的复合物

第三步便是追踪真实的脑内链路,研究者构建了小鼠模型,将不同浓度的人类α-突触核蛋白纤维滴定在小鼠的初级神经元上。光片显微镜和共聚焦分析表明,α-突触核蛋白纤维很容易扩散开来,在大脑皮层、丘脑和杏仁核的神经元以及黑质紧密区(SNpc)的多巴胺能神经元中积聚。

当共同注射纳米塑料与α-突触核蛋白纤维时则出现了更令人惊讶的情况——注射3天后,SNpc中大约20%的多巴胺能神经元的α-突触核蛋白纤维和纳米塑料均呈阳性,且有75%的α-突触核蛋白纤维信号与纳米塑料共定位。

事实上,当给小鼠同时注射纳米塑料和α-突触核蛋白纤维时,会在多巴胺能神经元中观察到成熟的胞质磷酸化Ser129-α-突触核蛋白包涵体,同时在整个皮质幔、杏仁核和SNpc中均出现了pS129-α-突触核蛋白病理变化的大幅增加。

总结而言,在较高的纳米塑料浓度下,这些大脑中的阴离子纳米塑料污染物会与α-突触核蛋白纤维发生协同作用,上调pS129-α-突触核蛋白包涵体在相互连通的大脑区域中的传播,进而增加了小鼠大脑皮层、杏仁核和SNpc中的病理沉积。

纳米塑料在小鼠脑内聚集并形成包涵体

最后一步,也是与人类关联性最强的一步——研究者采用裂解气相色谱-质谱法在人脑中检测到清晰的苯乙烯纳米塑料。

聚苯乙烯并非止步于血液中,其纳米塑料颗粒可穿透哺乳动物的血脑屏障。在先前的研究中,研究者在路易体痴呆症患者的额叶皮层脑组织中观察到很强的α-突触核蛋白种子活性,同时也发现了强烈的苯乙烯离子痕迹。

这些数据首次测量了纳米塑料可能作为污染物进入人脑组织中,但其浓度与作用还需要更进一步的人体试验进行探究。

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神经元α-突触核蛋白和纳米塑料污染物之间的病理相互作用

综上,纳米塑料污染能够促进帕金森病以及痴呆症相关的α-突触核蛋白的聚集。具体来说,阴离子纳米塑料污染物能够进入大脑组织,通过与α-突触核蛋白的两亲和NAC结合域的高亲和相互作用,导致α-突触核蛋白病理学的传播和积聚,进而诱导帕金森等神经性疾病的发生。

随着研究的不断推进,微塑料和纳米塑料带来的危害也越来越明晰——不再只是在人体内发现其存在,而是会真实地诱导疾病的发生。

为了避免人类的五脏六腑变成“塑料制品”以及多种疾病的发生发展,最简单的办法就是尽量在生活中减少塑料制品的使用并及时治理塑料污染,别让人类和地球被塑料“攻陷”之后再追悔莫及。

参考资料:

[1] Zhiyong Liu et al.,Anionic nanoplastic contaminants promote Parkinson’s disease–associated α-synuclein aggregation.Sci. Adv.9,eadi8716(2023).DOI: 10.1126/sciadv.adi8716

撰文 | Swagpp

编辑 | Swagpp

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