De potentielle risici ved bionedbrydelig plast: Professor Jiang Huis team ved Peking Universitet rapporterer for første gang om reproduktionstoksicitet induceret af polymælkesyremikro-/nanoplast

Den udbredte brug af plast har bidraget betydeligt til fremskridt inden for industriel civilisation og økonomisk udvikling, men den har også ført til alvorlig miljøforurening, især på grund af mikroplast (MP) og nanoplast (NP), der er blevet allestedsnærværende i menneskelige miljøer. Eksisterende undersøgelser viser, at det gennemsnitlige menneskelige indtag af mikroplastpartikler er cirka 0,1 til 5 gram om ugen, hvilket giver anledning til bekymring om de potentielle sundhedsrisici.

For at mindske plastforurening er bionedbrydelig plast blevet introduceret som miljøvenlige alternativer til traditionel petroleumbaseret plast. Polymælkesyre (PLA) er den mest producerede og forbrugte bionedbrydelige plast globalt og bruges i fødevareemballage, Engangsservice, og som bærer til lægemiddelafgivelse i biomedicinske anvendelser. Selvom PLA betragtes som en "miljøvenlig" plastik, har undersøgelser vist, at indtagelse kan forårsage betændelse, og PLA kan generere mere mikroplastik under nedbrydning end traditionel oliebaseret plastik, hvilket indikerer potentielle risici, der berettiger yderligere undersøgelse.

Den 27. januar 2025 offentliggjorde professor Jiang Huis team på Peking University First Hospital en forskningsartikel i det autoritative tidsskrift for materialevidenskab. ACS Nanomed titlen "Eksponering for polymælkesyre-mikro-/nanoplaster inducerer reproduktionstoksicitet hos mænd ved at forstyrre spermatogenesen og mitokondriel dysfunktion hos mus." Denne undersøgelse afslørede for første gang reproduktionstoksiciteten af ​​PLA-mikro-/nanoplaster (PLA-MP/NP) hos hanmus, hvilket tyder på, at de toksiske mekanismer kan ligne dem, der findes ved traditionel petroleumbaseret mikroplast. Disse resultater giver et teoretisk grundlag for at vurdere de miljømæssige risici ved bionedbrydelig plast.

Infertilitet er et globalt folkesundhedsproblem og den tredjestørste genstridige sygdom på verdensplan efter kræft og hjerte-kar-sygdomme. Oligozoospermi (lavt sædtal) er en af ​​de primære årsager til mandlig infertilitet, og miljøforurening betragtes som en væsentlig faktor, der bidrager til reduceret mandlig fertilitet. Som følge heraf er virkningerne af miljøforurenende stoffer på reproduktiv sundhed blevet et emne for udbredt bekymring. Tidligere undersøgelser foretaget af Jiang Huis team har bekræftet tilstedeværelsen af ​​mikroplast i det mandlige reproduktionssystem, og det er blevet vist, at traditionel petroleumsbaseret polystyren (PS) mikroplast kan forårsage testikelskader hos præpubertale hanner og dermed true fertiliteten. Der vides dog kun lidt om virkningerne af PLA på mandlig reproduktionsfunktion. Derfor gennemførte forskerholdet et 56-dages gentaget oralt toksicitetsstudie hos mus ved hjælp af miljørelevante doser (10 mg/kg/d, 100 mg/kg/d) og fareidentifikationsdoser (1000 mg/kg/d) af PLA mikroplast (PLA-MP) for at undersøge reproduktionstoksiciteten af ​​PLA-MP-eksponering hos hanmus.

Resultaterne viste, at PLA-MP, efter at være blevet absorberet i kroppen, trængte ind i blod-testis-barrieren gennem blodbanen og akkumuleredes i testiklernes mikromiljø. Denne akkumulering inducerede betydelig reproduktionstoksicitet, herunder en reduktion i sædkvaliteten, nedsat sædmotilitet, øgede sæddeformiteter og hormonelle ubalancer. Desuden afslørede histopatologisk undersøgelse degeneration af sædkanalerne, tab af kimceller og forstyrrelse af det reproduktive epitelvæv. Især indikerede forstørrelsen af ​​det spermatogene rum og den fuldstændige forsvinden af ​​sædceller i nogle sædkanaler alvorlig strukturel skade på testiklerne. Disse fund understøtter hypotesen om, at PLA-MP-eksponering inducerer reproduktionstoksicitet hos hanmus.

Mitokondriel dysfunktion er en kritisk mekanisme for toksicitet induceret af miljøforurenende stoffer, og mitokondriel skade betragtes som en nøglemekanisme for mikroplast-induceret toksicitet. Undersøgelsen viste, at partikler efter PLA-MP-eksponering blev internaliseret og akkumuleret i cellernes mitokondrier. Den internaliserede PLA-MP forårsagede morfologiske ændringer i mitokondrierne, såsom hævelse, øget størrelse, vakuolisering og dannelsen af ​​tubulære cristae, sammen med fremkomsten af ​​mitokondrielle autofagosomer. Niveauerne af reaktive iltarter (ROS), en vigtig indikator for oxidativ stress, viste sig at stige dosisafhængigt, og mitokondriel dysfunktion induceret af forhøjede ROS-niveauer forværrede yderligere oxidativ stress, hvilket skabte en ond cirkel af kontinuerlig mitokondriel skade. For at vurdere virkningen af ​​PLA-MP-eksponering på mitokondriefunktionen evaluerede teamet indikatorer for mitokondrieintegritet, herunder Ca2+-niveauer, ATP-produktion og mitokondriemembranpotentiale (MMP) i GC-2 spermatocytter. Resultaterne viste, at PLA-MP-eksponering reducerede MMP- og ATP-niveauer, samtidig med at den øgede intracellulære Ca2+-niveauer signifikant, hvilket tyder på, at mitokondriel dysfunktion kan være en følsom indikator for PLA-MP-induceret reproduktionstoksicitet.

Mitokondrieskeden er en kritisk del af sædcellens hale og er essentiel for at opretholde sædmotiliteten. Strukturelle abnormiteter i mitokondrieskeden kan føre til mandlig infertilitet. For at undersøge, om PLA-partikler trænger ind i sædcellerne og forårsager skade på mitokondrieskeden, brugte forskerholdet transmissionselektronmikroskopi til at observere ultrastrukturen af ​​sædcellernes midterstykker. Som forventet fandt de, at et vist antal nanometerstore PLA-partikler klæbede til sædcellernes midterstykke. Det er værd at bemærke, at PLA-nanopartikler endda trængte ind i sædcellernes indre og nåede mitokondrieskeden og deltog i processen med mitokondrienedbrydning. Derudover forstyrrede PLA redoxhomøostasen inde i sædcellerne og udløste oxidativ stress, hvilket resulterede i skade på både strukturen og funktionen af ​​sædcellernes mitokondrier.

For yderligere at undersøge de molekylære mekanismer, der ligger til grund for den reproduktionstoksicitet, der induceres af PLA-MP, udførte forskerholdet transkriptomisk analyse af testikelvævet fra gruppen, der fik høj dosis. Resultaterne viste, at PLA-MP signifikant nedregulerede ekspressionen af ​​flere nøglegener relateret til spermatogenese (f.eks. C3, Pde7b, Wt1 og Dkk3) og påvirkede signalveje forbundet med mitokondriefunktion, såsom calciumiontransport. Disse fund tyder på, at PLA-MP-eksponering fører til forringet spermatogenese og forværrer reproduktionstoksiciteten ved at hæmme ekspressionen af ​​nøglegener involveret i sædudvikling.

Afslutningsvis giver denne undersøgelse det første bevis for, at polymælkesyre (PLA) mikro-/nanoplaster inducerer reproduktionstoksicitet hos hanmus ved at forstyrre spermatogenesen og forårsage mitokondriel dysfunktion. Resultaterne viser, at PLA-mikroplaster trænger ind i blod-testis-barrieren, akkumuleres i testiklernes mikromiljø og inducerer oxidativ stress, hormonelle ubalancer og testikeludviklingsforstyrrelser hos mus. Desuden kan nedbrydningen af ​​PLA-mikroplaster til nanoplaster trænge ind i sædcellernes mitokondrier og forårsage mitokondriel skade, hvilket tyder på, at mitokondriel dysfunktion er en nøglemekanisme og tidlig indikator for PLA-induceret reproduktionstoksicitet.

Samlet set forbedrer denne forskning vores forståelse af de toksikologiske virkninger af bionedbrydelig mikroplast på menneskers sundhed og giver ny indsigt i evalueringen af ​​sundhedsrisiciene ved bionedbrydelig plast. Da PLA almindeligvis markedsføres som en "miljøvenlig" plast, fortjener dens biotransformation, biodistribution og potentielle toksikologiske virkninger hos mennesker yderligere opmærksomhed.

Korresponderende forfattere til artiklen inkluderer professor Jiang Hui fra Peking University First Hospital, professor Zhang Zhe fra Peking University Third Hospital og Dr. Li Yuanyuan fra Institute of Ecology and Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences. Dr. Zhao Qiancheng fra Peking University First Hospital er førsteforfatter, med Dr. Fang Zishui (postdoc) og Dr. Wang Pengcheng (Peking University Third Hospital) som medforfattere.