塑料污染已成為環(huán)境和公共健康的一大威脅。納米塑料（NPs）可通過呼吸、飲食、皮膚接觸等途徑進入人體，并在通過血液循環(huán)在組織器官中積累，對健康造成長期影響。
蛋白冠（protein corona）指納米材料進入生物環(huán)境（如血液等體液）后其表面吸附的一層或多層蛋白所組成的結構。蛋白冠的形成不僅改變納米粒子的表面特性，還影響其穩(wěn)定性、細胞攝取、組織分布及潛在的毒性和生物效應。
2024年10月3日，中國科學院高能物理研究所中國科學院納米生物效應與安全性重點實驗室王黎明、張智勇團隊攜手青蓮百奧研發(fā)團隊，采用磁性納米材料合成技術合成帶有鐵核的聚苯乙烯納米塑料（PS NPs），通過磁分離技術高效鑒定了鐵核PS NPs的蛋白冠組成，并通過同步輻射微CT（SR-micro-CT）成像技術鑒定了鐵核PS NPs在肺內(nèi)的積累，并對其肺內(nèi)積累機制進行了深入探究。
文章題目：Preferred Lung Accumulation of Polystyrene Nanoplastics with Negative Charges.
發(fā)表期刊：Nano Letters
影響因子：9.6
發(fā)表時間：2024年10月3日
發(fā)表單位：中國科學院高能物理研究所&北京青蓮百奧生物科技有限公司
合成帶有鐵核的PS NPs并構建兩種表面功能化形式：羧基化（COOH-NPs）和氨基化（NH2-NPs）。通過透射電子顯微鏡（TEM）和流體動力學直徑測量確定PS NPs的平均尺寸并測量其表面電荷。使用X射線衍射（XRD）和傅里葉變換紅外光譜（FTIR）確認鐵核的晶體結構和化學成分。磁性質(zhì)表征顯示鐵核PS NPs的飽和磁化值在快速磁分離中穩(wěn)定。
圖1 鐵核聚苯乙烯納米顆粒的合成與表征
磁分離法在蛋白冠的鑒定中具有以下四大優(yōu)勢：
簡單高效：通過外加磁場實現(xiàn)快速分離，高效、高通量，易于自動化、標準化；
減少損傷：不涉及高速離心等可能導致蛋白質(zhì)結構變化或破壞的步驟，有助于保持蛋白冠的完整性和生物活性；
高選擇性：特異性分離磁性顆粒，支持多次洗滌；
高分辨率成像：結合同步輻射微CT（SR-micro-CT）等高分辨率成像技術，可提供磁性顆粒在體內(nèi)分布的三維可視化，有助于準確示蹤。
使用磁分離法研究人血漿蛋白與納米塑料的相互作用，發(fā)現(xiàn)NPs的大小和表面修飾對蛋白冠中玻連蛋白（vitronectin）的富集有顯著影響。較大的NPs表面積更大，提供更多蛋白質(zhì)結合位點，促進玻連蛋白吸附。
圖2 鐵核PS NPs中蛋白冠成分的磁分離與鑒定
通過C57BL/6J小鼠體內(nèi)實驗，發(fā)現(xiàn)靜脈注射50 mg/kg PS NPs最初在肝中積累，帶負電荷的COOH-NPs在注射后30min內(nèi)顯著積累在肺部，而帶正電荷的NH2-NPs則沒有這種積累。直徑100 nm的COOH-NPs顯示出更有效的肺部積累，表明帶負電荷的納米顆粒能夠更有效地穿越血管內(nèi)皮屏障。
圖3 PS NPs的體內(nèi)分布和細胞攝取
關注蛋白冠中含量最豐富的玻連蛋白，發(fā)現(xiàn)玻連蛋白吸附到不同PS NPs表面時會發(fā)生不同構象變化，可能導致其結構和取向的變化。玻連蛋白吸附到COOH-NPs上后構象變化較少，導致其細胞攝取相比NH2-NPs更低。
使用流式細胞術確定100nm PS NPs注射后30min內(nèi)在小鼠肺部的分布，結果顯示COOH-NPs在肺組織中的積累水平顯著高于NH2-NPs。免疫熒光實驗觀察到PS NPs與肺內(nèi)皮細胞上的CD41/CD61整合素受體的共定位，表明玻連蛋白通過整合素受體介導的途徑促進了COOH-NPs在肺細胞中的積累。
納米塑料的表面特性，特別是電荷和蛋白冠組成，對其在體內(nèi)的分布和積累模式有顯著影響。這些發(fā)現(xiàn)對于理解納米塑料的生物命運和潛在健康風險具有重要意義，也為未來納米塑料的風險評估和安全塑料材料的開發(fā)提供了重要的科學依據(jù)。
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