摘要

微納米塑料是指粒徑介于納米級(jí)至5mm之間的塑料碎片和顆粒。近年來，以微納米塑料為代表的新型污染物受到的國(guó)際社會(huì)關(guān)注度持續(xù)提升，《環(huán)境署2014年年鑒》和《評(píng)估塑料的價(jià)值》報(bào)告指出，塑料污染威脅到了海洋生物的生存以及旅游業(yè)、漁業(yè)和商業(yè)的發(fā)展【1】，引起了人們對(duì)微納米塑料的廣泛關(guān)注，已經(jīng)有大量研究報(bào)道表明，微納米塑料對(duì)海洋生態(tài)以及生物和人類健康存在持久的、確定和不確定的危害。隨著微納米塑料污染關(guān)注度的提升和其生態(tài)效應(yīng)研究的深入，對(duì)其生物毒理學(xué)效應(yīng)影響的評(píng)價(jià)研究也逐漸成為業(yè)界研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。 

當(dāng)前，全球?qū)ξ⒓{米塑料的毒理作用機(jī)制的研究還不夠充分，尚缺乏成熟的實(shí)驗(yàn)方法和研究手段。盡管如此，已有的初步研究結(jié)果暗示【2】，微納米塑料可能對(duì)生物體的代謝系統(tǒng)可產(chǎn)生多方面負(fù)面影響，這可能會(huì)增加代謝綜合征的風(fēng)險(xiǎn)。鑒于塑料產(chǎn)品的廣泛使用，微納米塑料在環(huán)境中的濃度迅速上升，并在人體組織中積累，因此，評(píng)估其對(duì)健康的潛在影響以及深入研究其毒理機(jī)制變得尤為關(guān)鍵和緊迫。

本工作通過使用島津紅外拉曼顯微鏡（AIRsight）的顯微紅外和顯微拉曼功能，原位、多模態(tài)地研究了單個(gè)細(xì)胞在受到PS微納塑料暴露后的表征（顯微拉曼）及毒理行為（顯微紅外）：通過顯微拉曼，原位表征單細(xì)胞吞噬的超小尺寸微納塑料的分布特征；通過使用顯微紅外，原位表征同一單細(xì)胞在暴露微納塑料后，蛋白與其的結(jié)合行為，進(jìn)而對(duì)具有代表性的納米級(jí)、亞微米級(jí)和微米級(jí)的微納米塑料對(duì)生物體免疫應(yīng)激效應(yīng)的毒理學(xué)影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1、顯微拉曼光譜表征細(xì)胞內(nèi)微納塑料

使用AIRsight的顯微拉曼功能，分別對(duì)500nm-1μm微納塑料染毒暴露的單個(gè)巨噬細(xì)胞及未染毒暴露的單個(gè)巨噬細(xì)胞進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖2所示。圖中紅色線圈及對(duì)應(yīng)紅色譜線為未染毒暴露的單個(gè)巨噬細(xì)胞，黑線圈區(qū)域及對(duì)應(yīng)黑色譜線為微納塑料暴露染毒的單個(gè)巨噬細(xì)胞，可從其拉曼譜圖的標(biāo)藍(lán)區(qū)域中清晰看到PS微塑料的特征峰：1002cm-1為苯環(huán)呼吸振動(dòng)，1030cm-1為苯環(huán)內(nèi)C原子間對(duì)稱伸縮振動(dòng)，1604cm-1為苯環(huán)內(nèi)C原子間非對(duì)稱伸縮振動(dòng)，3053cm-1為C-H鍵伸縮振動(dòng)。該結(jié)果表明，使用AIRsight顯微拉曼功能，可清晰實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞吞噬的微量亞微米/納米級(jí)塑料進(jìn)行有效觀測(cè)和表征。

圖2 使用顯微拉曼光譜表征單個(gè)巨噬細(xì)胞吞噬微納塑料

2顯微紅外光譜表征單細(xì)胞蛋白與微納塑料相互作用

圖3 使用顯微紅外光譜表征單個(gè)巨噬細(xì)胞蛋白與微納塑料的相互作用

借助于AIRsight的紅外與拉曼雙光路耦合設(shè)計(jì)，通過軟件端一鍵切換，即可直接實(shí)現(xiàn)對(duì)同一單細(xì)胞的原位顯微紅外功能，分別對(duì)單個(gè)微納塑料染毒暴露的巨噬細(xì)胞及未染毒暴露的巨噬細(xì)胞進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。圖中紅色線圈及對(duì)應(yīng)紅色譜線為未染毒暴露的單個(gè)巨噬細(xì)胞，黑線圈區(qū)域及對(duì)應(yīng)黑色譜線為微納塑料暴露染毒的單個(gè)巨噬細(xì)胞。從圖中標(biāo)藍(lán)區(qū)域可清晰看到兩組紅外特征吸收峰，其中1600-1700 cm-1為蛋白質(zhì)酰胺I帶特征吸收峰（代表蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)），1500-1600 cm-1為蛋白質(zhì)酰胺II帶特征吸收峰（代表蛋白質(zhì)構(gòu)象）。

圖4 單個(gè)巨噬細(xì)胞蛋白與微納塑料的相互作用：酰胺I帶和酰胺II帶發(fā)生波數(shù)位移

進(jìn)而對(duì)圖4中的酰胺I帶和酰胺II帶進(jìn)行區(qū)域放大，如圖4所示：相比較于未染毒暴露的單個(gè)巨噬細(xì)胞（紅線），微納塑料暴露染毒的單個(gè)巨噬細(xì)胞（黑線）在兩組特征吸收峰上均向高波數(shù)發(fā)生了位移，位移量分別為9 cm-1和5 cm-1，表明受到微納塑料暴露影響，單個(gè)巨噬細(xì)胞中的蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)（酰胺I帶）和構(gòu)象（酰胺II帶）均受到了一定程度的影響，進(jìn)而影響到該細(xì)胞的正常功能。在此基礎(chǔ)上，對(duì)10組對(duì)應(yīng)的微納塑料暴露染毒和未暴露染毒的巨噬細(xì)胞進(jìn)行波數(shù)位移統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖4中柱狀圖所示：相比較于未染毒暴露的單個(gè)巨噬細(xì)胞（紫色柱狀圖），經(jīng)微納塑料暴露染毒的單個(gè)巨噬細(xì)胞（藍(lán)色柱狀圖）在酰胺I帶和酰胺II帶均發(fā)生了一定程度的波數(shù)位移，證明該結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明經(jīng)巨噬細(xì)胞吞噬后，微納塑料確實(shí)與細(xì)胞蛋白具有一定程度的相互作用，即微納塑料對(duì)巨噬細(xì)胞具有影響其正常功能的毒理學(xué)效應(yīng)。

結(jié)論

本工作通過使用島津紅外拉曼顯微鏡（AIRsight）的顯微紅外和顯微拉曼功能，原位、多模態(tài)地研究了單個(gè)巨噬細(xì)胞在受到PS微納塑料暴露后的表征（顯微拉曼）及毒理行為（顯微紅外）：通過顯微拉曼，原位觀測(cè)了單細(xì)胞吞噬的超小尺寸微納塑料的分布特征；通過使用顯微紅外，原位表征同一單細(xì)胞在暴露微納塑料后，蛋白與其的結(jié)合行為，進(jìn)而對(duì)具有代表性的亞微米級(jí)的微納米塑料對(duì)生物體免疫應(yīng)激效應(yīng)的毒理學(xué)影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，為以微塑料為代表的新污染物毒理學(xué)研究提供新的方法和思路。

參考文獻(xiàn)：

【1】環(huán)境署2014年年鑒．聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署．2014年6月23日

【2】翁丹，黃舒嫻，張丹陽．微納米塑料對(duì)代謝的影響及其分子機(jī)制的研究進(jìn)展[J/OL]．海南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).

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