聚苯乙烯纳米塑料被积云卵母细胞复合体吸收会损害卵母细胞和胚胎的发育

时间：2026年2月6日

来源：Reproductive Toxicology

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纳米塑料（NPs）对牛卵子体外受精模型的影响研究。使用50nm和200nm聚苯乙烯（PS）NPs暴露体外成熟卵子，发现50nm NPs能穿透卵子膜，在3μg/mL剂量下显著延迟卵子核成熟及胚胎早期发育。RNA测序未发现差异表达基因，但基因集富集分析提示线粒体功能受影响，但功能实验未证实。共聚焦显微镜显示NPs被卵周细胞吞噬，但仅50nm可进入卵细胞。研究强调NPs可能通过物理穿透而非基因或线粒体功能异常干扰生殖过程。

荷兰乌得勒支大学兽医学院人口健康科学系风险评估科学研究所

摘要

纳米塑料（NPs），即直径小于1微米的塑料颗粒，因其潜在的健康影响而受到越来越多的关注。动物实验研究表明，NPs能够穿透生物屏障，进入女性生殖道并抵达卵巢。它们在卵巢中的存在可能对生殖过程（如卵子发育）产生深远影响。本研究旨在利用牛的体外受精（IVF）模型，探讨聚苯乙烯（PS）NPs对卵子和胚胎发育的吸收及其相关影响。在体外成熟过程中（23小时），牛的卵丘-卵子复合体（COCs）分别暴露于50纳米或200纳米的原始PS-NPs不同剂量下，随后进行IVF和胚胎培养。通过RNA测序分析可能影响卵子成熟的机制。共聚焦显微镜观察证实50纳米和200纳米的PS-NPs被卵丘细胞内化，但只有50纳米的颗粒能够进入卵子。此外，3微克/毫升浓度的50纳米PS-NPs显著延缓了卵子核的成熟和早期胚胎发育。在该剂量下，RNA测序未发现COCs中差异表达的基因，但基因集富集分析表明对线粒体过程有影响。尽管如此，后续的线粒体活性分析未受影响。我们的研究结果表明，虽然50纳米的PS-NPs能够穿透透明带并损害卵子成熟，但其影响可能并非由主要的转录组或线粒体功能改变驱动。

引言

全球塑料产量的巨大增长对环境构成威胁，导致微塑料和纳米塑料（MNPs）的不断增加。MNPs因其对人类和野生动物健康的潜在风险而受到关注。纳米塑料（NPs）定义为直径小于1微米的颗粒[1]，主要由塑料废物的破碎或降解形成[2]。MNPs存在于环境中的各个角落，包括空气、土壤和水中[1]。由于其微小的尺寸，NPs特别令人担忧，因为它们能够穿透生物屏障、进入细胞并引起不良健康效应[1]。 MNPs可通过颗粒毒性发挥作用，引发氧化应激、导致细胞损伤并诱发炎症[3][4]。此外，化学物质也可能增加毒性，因为已有超过10000种物质被用于塑料生产，作为添加剂、加工助剂和单体。根据欧盟REACH法规第57条和eChemportal的危险数据，目前已有超过2400种与塑料相关的化学物质被认定为潜在有害物质[5]。此外，天气因素（如紫外线照射、机械或热应力）、蛋白质冠层以及微生物生物膜（微生物在塑料表面的定植）也会进一步影响危害[3]。由于NPs的表面积与体积比更高，它们可能比微塑料（MPs；< 5毫米）产生更大的影响[1]。 MNPs主要通过吸入和摄入进入人体，最近的研究证实了它们在人体内的循环[6][7]。在塑料材料中使用的聚合物，包括聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）和聚乙烯（PE），已在人类全血样本中被检测到[7]。此外，塑料衍生的聚合物还在尿液[8][9]、脑脊液[10]、母乳[11]和胎盘[12][13][14]中被发现，表明它们具有全身分布性，能够穿透生物屏障，并可能发生母体-胎儿转移。在啮齿动物研究中，500纳米的PS-NPs在口服暴露后能够穿透血-卵泡屏障并在卵巢卵泡中积累[15]。研究还发现MNPs存在于人类卵泡液中[16][17]，这表明卵泡内的卵丘-卵子复合体（COCs）也可能暴露于MNPs，从而可能影响女性生殖[15]。在女性生殖周期中，卵子成熟是一个关键过程，卵子质量显著决定了卵子在受精后发育成囊胚的能力[18][19][20]。这一重要过程包括核成熟、第一次减数分裂（减数分裂I）的恢复以及进入第二次减数分裂中期（通过极体排出PBE和细胞质成熟），这些过程在受精前至关重要。近年来，越来越多的证据表明NPs可能对此过程产生影响。例如，在小鼠中，研究表明，在体外成熟（IVM）过程中，以30毫克/千克的剂量暴露于790纳米的PS-NPs 35天后，卵子核成熟受损[21]。同样，在小鼠卵子的IVM过程中，以100微克/毫升的剂量直接暴露于50纳米的PS-NPs也会导致PBE率降低[22]。除了对卵子成熟的影响外，NPs还与生殖结果受损有关。孕前小鼠每天通过腹腔注射25毫克/千克的50纳米PS-NPs会导致着床率降低[23]。此外，在妊娠期间静脉注射60纳米或900纳米的PS-NPs也会导致胎儿体重下降[24]。这些发现强调了NPs对卵子成熟和随后胚胎发育的负面影响潜力。尽管NPs与卵子成熟和发育改变有关，但关于哺乳动物着床前胚胎发育阶段的影响数据有限[25]。此外，NPs干扰早期发育的机制尚不清楚。最近的研究表明，NPs会引发氧化应激[15]并在卵巢组织中诱发炎症[21]。可以推测，在卵子成熟和早期发育过程中也可能出现类似的影响。鉴于卵子质量是卵子发育成胚胎的主要决定因素，卵子质量的受损可能会对后续发育产生持续影响。由于早期发育涉及细胞分裂、分化、基因组激活和囊胚形成等关键过程，因此有必要更详细地研究NPs对这些过程的影响。大多数关于哺乳动物生殖的研究都是在啮齿动物身上进行的。然而，啮齿动物的卵子模型并不能完全反映人类的早期发育特征。使用小鼠研究人类发育的一个重要限制是物种之间的发育时间框架存在显著差异。因此，为了更好地评估NP暴露的影响，包括与发育相关的暴露持续时间，需要一个更接近人类围孕期的模型。与常用的啮齿动物模型相比，牛的卵子模型在卵子成熟和早期胚胎发育方面与人类有更多相似之处，包括卵子大小、卵子成熟持续时间、卵子能力逐步获得的模式以及胚胎基因组激活的时间[26][27][28]。因此，牛的IVM模型被认为是生殖毒性研究的宝贵替代方案，其转化潜力相对高于其他模型[29][30]。本研究旨在利用牛的IVM和体外受精（IVF）模型，评估卵子成熟过程中原始PS-NP暴露的影响。首先，我们研究了IVM过程中50纳米和200纳米原始PS-NPs的吸收情况。其次，我们探讨了这些NPs是否会影响卵子的发育能力，以及这种影响是否会影响IVF后的早期胚胎发生。最后，我们使用RNA测序分析了PS-NPs在卵子发育过程中的作用机制。

材料

DiagPoly纯红色荧光50纳米聚苯乙烯纳米颗粒（目录号#DNG-P015；PDI < 0.2）购自CD Bioparticles，以1%（w/v）的水悬浮液形式提供。根据制造商说明，这些颗粒在水缓冲液、甲醇、乙醇和DMSO中稳定。Fluoresbrite黄绿色纯聚苯乙烯微球50纳米（目录号#17149-10；CV ≤ 15%）和200纳米（目录号#17151-10；CV ≤ 8%），以及PolyBead纯微球50纳米（目录号#08691-10；CV ≤ 15%）和200纳米（目录号#07304-15；CV ≤ 8%）也被使用。

PS-NPs在COCs中的吸收

为了观察COCs对PS-NPs的内化，成熟的COCs被暴露于50纳米或200纳米的荧光PS-NPs（10微克/毫升）。23小时后，发现50纳米和200纳米的PS-NPs都存在于卵丘细胞中（图2A，S1A）。图像的下方和右侧部分显示了共聚焦堆栈的Z轴深度，表明PS-NPs被吸收到了卵丘细胞的细胞质中，但未进入细胞核。此外，在成像整个COC复合体时，观察到50纳米颗粒的绿色聚集物。

讨论

最新证据表明，塑料颗粒从生命开始就存在于卵泡液中[16]，这引发了关于NPs是否会影响卵子质量和随后胚胎发育的严重担忧。本研究证实，50纳米和200纳米的原始PS-NPs在COC成熟过程中被卵丘细胞吸收，且50纳米的PS-NPs还能进入卵子。这与卵子核成熟率降低相吻合。

结论

本研究证明了50纳米PS-NPs被成熟卵子吸收，以及50纳米和200纳米PS-NPs被卵丘细胞吸收。将成熟的COCs暴露于3微克/毫升浓度的50纳米PS-NPs会导致卵子核成熟受损和胚胎发育暂时延迟。然而，对基因表达的影响很小，尽管GSEA提示PS-NP暴露后COCs的氧化磷酸化可能受到影响，但这一结论未通过功能实验得到证实。

资助

RNA测序分析由乌得勒支大学兽医学院人口健康科学系的种子基金资助。杨佳怡的资金来自中国国家留学基金委员会（编号202207720070），以及乌得勒支大学兽医学院风险评估科学研究所的毒理学部门和农场动物健康部门。

CRediT作者贡献声明

约尔克·H·卡姆斯特拉：写作 – 审稿与编辑、可视化、监督、方法学、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。 希尔德·阿德玛：写作 – 审稿与编辑、可视化、监督、方法学、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。 理查德·伍博尔茨：写作 – 审稿与编辑、可视化、资源获取、正式分析。 朱丽叶特·莱格勒：写作 – 审稿与编辑、监督、资金获取。