综述：生物系统中的纳米塑料：实验室实验机制揭示了其在现实世界中的毒性特征

纳米塑料（NPs）在环境中以低浓度慢性暴露存在，但其毒性机制尚未明确。本研究提出机械论-规模框架，揭示实验室高剂量毒性（如细胞摄取、溶酶体破裂、氧化应激等）在环境剂量下的保守性及动态差异，证实氧化应激为跨物种毒性整合标志。环境老化、生态包膜及共污染加剧NPs反应性，AI与机器学习推动检测技术革新，实现低浓度NPs的敏感识别与交互预测。建议转向机制导向的概率模型，整合实验室与环境数据，优化监测与监管策略。

Fernan M. Arellano | Cris Gel Loui A. Arcadio | Ya-Ting Chen | Shuchen Hsieh | Hernando P. Bacosa | Shu-Ling Hsieh

国立高雄科技大学水生科学技术研究所，台湾高雄 81157

摘要

引言

塑料已成为日常生活的一部分。它们的便利性、多功能性和低成本意味着我们不断使用它们，往往没有考虑它们的最终去向。然而，随着时间的推移，管理不善的废物和大型塑料制品的持续分解导致了一个意想不到的后果：微塑料（microplastics）的形成，而在更小的尺度上则是纳米塑料（NPs）。这些纳米级的碎片与其较大的同类物表现非常不同。它们的小尺寸、高表面积和化学活性使它们能够在空气和水中移动，沉积在作物上，并与生物体的组织和细胞密切相互作用[1]，[2]。因此，现在在各种环境隔室以及依赖这些颗粒的生物体（包括人类）中都检测到了NPs。

对NPs生物效应的日益关注推动了实验室研究的激增。这些实验揭示了一个非常一致的现象：一旦NPs通过食物、水、空气或皮肤接触进入体内，它们可能会在特定条件下穿过特定的生物屏障并在某些组织中积累，这种迁移受到颗粒大小、目标器官和暴露途径的强烈影响，而不是在所有屏障中普遍发生[3]。体外和体内模型显示，NPs暴露后会出现氧化应激、炎症、代谢紊乱、神经毒性效应甚至生殖障碍[4]，[5]，[6]。机制研究表明，NPs可以通过内吞作用被体内化，被困在溶酶体中，干扰线粒体功能，并触发活性氧（ROS）的过量产生，进而导致脂质过氧化、DNA损伤、细胞凋亡和慢性炎症[7]，[8]。这些见解对于理解NPs如何影响生物系统至关重要。但一个核心挑战仍然存在：这些实验室发现是否反映了实际环境暴露条件下的真实情况？这个问题比看起来更复杂。许多实验所需的NPs浓度比当前环境中测量到的浓度高出几个数量级。研究通常使用0.2到500 μg/mL的浓度来可靠地检测细胞反应，然而环境调查报告的浓度通常在ng/L到pg/L范围内[9]，[10]。实验室中的高剂量揭示了损伤机制，但它们并不总是代表真实的暴露情景。相反，环境监测提供了剂量背景，但由于在生态相关水平上检测NPs的挑战，很少提供机制细节。这两类证据——实验室机制研究和环境测量——往往被分开处理，尽管它们揭示了NPs风险的互补方面。实验室研究使我们能够更好地了解NPs在细胞或生物体内的作用，而环境数据可以帮助我们确定这些机制何时可能相关。因此，这项综述的目的是弥合这一分歧。我们综合了当前关于暴露途径、细胞摄取和氧化应激机制的实验室发现，并通过环境现实剂量的视角重新解读它们。通过这样做，我们希望超越传统的高剂量毒理学框架，更细致地理解NPs在自然环境中的行为，其中暴露是长期的、微妙的，并受到真实生态系统的复杂性的影响。此外，我们强调了检测技术的创新，包括AI和机器学习增强的方法，这些方法开始缩小实验室可测量结果与环境实际存在情况之间的差距。这种综合视角提供了对纳米塑料风险的更扎实的看法，并为未来的研究和政策制定指明了方向。

方法论

本综述遵循系统评价和荟萃分析的优先报告项目（PRISMA）指南进行，以确保透明度、可重复性和全面性[11]。

NPs的暴露途径：从环境接触至生物摄取

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氧化应激和毒性：机制见解及其对现实世界暴露的相关性

NPs在环境中的浓度不断升高，这引起了人们对它们对生态系统和人类健康潜在风险的关注[65]，[66]。与较大的塑料碎片不同，NPs具有独特的物理化学性质，包括纳米级大小、高表面积和增强的反应性，这使它们能够跨越生物屏障、在组织中积累，并与敏感的细胞内结构相互作用[67]，[68]。这些相互作用……

剂量现实性与环境相关性：将实验室毒性转化为现实世界风险的机制框架

尽管NPs毒理学取得了快速进展，但在受控实验室条件下记录的效果与在环境相关暴露情景下预期的效果之间仍存在持续的解读差距。实验室研究通常依赖于高浓度的NPs以确保机制的清晰性，而环境浓度要低得多，通常低几个数量级。这种对比造成了关于如何将机制发现应用于实际情况的不确定性……

AI和机器学习作为NPs检测和监测的未来

正如机制尺度框架所强调的，将实验室毒性发现转化为环境现实情景取决于准确表征NPs的存在、转化和内部剂量。然而，NPs的极小尺寸、化学异质性和环境基质的复杂性使得使用传统方法检测它们极其困难。拉曼光谱、FTIR和质谱在实验室环境中仍然至关重要，但……

结论

纳米塑料（NPs）代表了一类新兴的污染物，其环境持久性、物理化学多样性和生物活性挑战了传统的毒理学范式。本综述综合了当前的实验证据，探讨了从实验室研究中获得的机制见解如何在环境相关暴露情景下进行解释。使用原始或略微改性的聚苯乙烯NPs进行的研究通常……

环境影响

纳米塑料现在是日常生活环境的一部分，存在于空气、水、土壤和食品系统中。本综述表明，即使在低浓度下，这些颗粒也能与细胞相互作用，逐渐积累成有意义的生物效应。由于现实世界的暴露是长期的，并受到颗粒老化、生态冠层和共污染物的影响，仅关注浓度会大大低估风险。通过机制视角理解纳米塑料的影响……

资助

本工作得到了台湾国家科学技术委员会的支持（授权号NSTC 114-2221-E-992 -019 -MY3）。

CRediT作者贡献声明

Cris Gel Loui A. Arcadio：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿。Ya-Ting Chen：撰写——审阅与编辑，验证，监督。Fernan M. Arellano：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿。Hernando P. Bacosa：撰写——审阅与编辑，验证。Shu-Ling Hsieh：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取，数据管理。Shuchen Hsieh：撰写——审阅与编辑，验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢台湾国家科学技术委员会对这项工作的支持。