一作解读 | 苏州大学汪超教授课题组揭示口服纳米塑料通过诱导肠内巨噬细胞IL-1信号影响小鼠脑功能
苏州大学汪超教授团队联合苏州大学林芳教授团队，经过研究发现了口服纳米塑料通过诱导肠内巨噬细胞IL-1信号影响小鼠脑功能，研究成果于2023年4月4日在国际学术期刊《Cell Reports》 （Top期刊，中科院1区，IF 9.995）在线发表，本研究的单细胞测序技术由联川生物提供支持。
Oral feeding of nanoplastics affects brain function of mice by inducing macrophage IL-1 signal in the intestine
作为塑料产品的分解物，塑料颗粒由于尺寸极小，所以不易引起注意，导致大量的积累，这引起了人们对塑料颗粒在环境中长期滞留的担忧。根据世界自然基金会的数据，一个普通人每周可以摄入大约5克塑料。研究表明，塑料颗粒在体内可引起潜在的生殖毒性、破坏肠道菌群以及对呼吸系统造成损伤等。然而，对塑料颗粒进入机体后如何影响免疫反应的研究仍比较有限。
01纳米塑料比更容易被巨噬细胞摄取并引起溶酶体损伤
首先，研究者使用微米塑料和纳米塑料对他们的体外效应进行了探究。微米塑料（大小约为2 μm）与纳米塑料（大小约为500 nm）具有相似的物理与化学结构（图1A-D）。相比于微米塑料，纳米塑料更容易被巨噬细胞吞噬并进入溶酶体（图1E ）。通过在模拟溶酶体液中处理后观察微/纳米塑料的形状和大小，结果证实两种塑料均不容易在溶酶体环境中发生降解（图1F，G）。与微米塑料相比，纳米塑料更容易被巨噬细胞摄取到溶酶体中，从而激活溶酶体损伤通路，导致巨噬细胞向促炎表型转换，并增加IL-1β的产生(图1H-P)
02纳米塑料比微米塑料更容易扰乱肠道生态系统
接着，利用流式细胞术探究了塑料颗粒被摄取到体内后，肠道中免疫细胞的改变。结果表明，纳米塑料比微米塑料更有可能通过直接与巨噬细胞相互作用而影响肠道免疫细胞，诱导巨噬细胞活化，产生IL-1β，并增加了肠道CD4+ T细胞中产生IL-17a的CD4细胞，产生IL-4的CD4细胞和Treg细胞的比例（图2A-H）（图2I-N）。总之，这些数据表明，相比于微米塑料，纳米塑料更显著的诱导了肠道免疫反应，并改变了肠道的免疫稳态，并导致免疫细胞的分化。
03纳米塑料改变肠道免疫微环境
为了进一步表征和了解肠道免疫微环境，研究者对小鼠进行为期一周的纳米塑料（10mg/kg）灌胃处理，并利用单细胞测序技术对肠道免疫细胞群进行了分析。与对照组相比，纳米塑料显著提升了肠道巨噬细胞群的比例（图3A-B）。对巨噬细胞群进一步分析发现，纳米塑料处理组小鼠中出现了高表达IL-1β的巨噬细胞亚群，而未处理组中没有找到这一亚群 (图3C-F)。此外，差异基因表达量的数据分析提示，与溶酶体损伤通路相关的基因如Lamp1, Ctsb, Nlrp3等，在纳米塑料处理后其表达量相较于对照组显著增加（图3G, H）。由此可知，口服纳米塑料激活溶酶体损伤通路，并诱导肠道IL-1信号。
04纳米塑料的长期摄取导致脑记忆与认知功能损伤
鉴于肠道和大脑之间的潜在相互作用，研究者评估了灌胃纳米塑料是否会影响大脑。为了验证这一点，作者研究了口服纳米塑料两个月后小鼠的行为。对小鼠每天灌胃10 mg/kg的纳米塑料，两个月后，对小鼠进行行为学测试，包括旷场行为、水迷宫测试和新物体识别测试。结果证实，纳米塑料的长期摄取会导致小鼠认知与记忆功能的损伤（图4A-I），但是全脑的H&E染色未显示出明显的病理特征(图4J)。值得注意的是，小鼠在长期纳米塑料处理后，海马内的小胶质细胞和星形胶质细胞的Aβ聚集增加（图4K-4Q）。此外，分支数量的减少表明，在纳米塑料灌胃处理喂的鼠中，小胶质细胞同步激活（图4N，O）。这些结果表明，纳米塑料的长期摄取驱动了脑内免疫稳态的改变，这可能导致认知记忆能力的衰减。
05纳米塑料的长期摄取改变脑免疫
进一步，研究者试图确定纳米塑料影响脑免疫的机制。研究再次对喂食纳米塑料2个月的小鼠的全脑进行了单细胞测序分析。我们观察到，与对照小鼠相比，在纳米塑料喂养的小鼠中，小胶质细胞、粒细胞，特别是T细胞的数量显著增加。相比之下，神经元和少突胶质细胞的数量和频率降低，提示脑内神经元的功能受到影响（图5A，B）。测定了接受纳米塑料的小鼠大脑中的IL-1β，结果显示，IL-1β水平显著高于未接受纳米塑料的小鼠（图5C）。此外，Il1b的遗传小提琴图显示，Il1b集中在脑粒细胞中，而Il1b的表达在未处理和纳米塑料处理的小鼠之间没有差异（图5D）。这表明IL-1β极有可能来自与肠道，而非脑部免疫细胞分泌。此外，许多与免疫激活相关的上调基因，如Ccl3、Ccl4、Cx3cr1和Cxcl10 （趋化因子）；Ifitm3、Oasl2、Rtp4和Bst2（干扰素应答基因）；小胶质细胞活化相关基因Lamp1、Lamp2、H2-D1、P2ry12和Hexb。
此外，小胶质细胞亚群中编码Apoe, C1q (C1qa, C1qb, C1qc) 和Tyrobp的基因表达增加，这些基因在AD相关疾病状态下表达上调（图5E），小胶质细胞的KEGG通路分析显示，该细胞群参与多种炎症通路(图5F)。对脑T细胞的分析发现，纳米塑料显著促进了Th17细胞数量的增加。而IL-1β 在诱导 Th17 细胞分化和功能方面发挥着重要作用。研究表明，IL-1β 可以促进 Th17 细胞的分化和增殖，并增强其在免疫反应中的作用。综上，纳米塑料通过诱导肠道IL-1β产生，通过循环系统从而影响了脑部的免疫稳态，进一步诱导了少突胶质细胞的激活和脑Th17细胞比例的增加以及Aβ的沉积，这可能就是纳米塑料导致小鼠认知与记忆功能损伤的潜在诱因。
06阻断IL-1信号通路可有效缓解纳米塑料引起的行为障碍
为了研究阻断IL-1信号通路是否能挽救纳米塑料引起的脑损伤，在此模型中使用IL-1r拮抗剂/Anakinra (αIL-1r) 或MCC950完全阻断IL-1信号通路。MCC950是NLRP3的特异性抑制剂，可以阻断caspase-1/NLRP3.35诱导的IL-1β， IL-18和IL-1α的释放。在实验中，纳米塑料处理的小鼠腹腔注射Anakinra (10 mg/kg，每周2次) 或MCC950 (10 mg/kg，每周2次) 2个月，然后检测小鼠的行为。结果表明，通过αIL-1r或MCC950阻断IL-1信号通路可有效缓解纳米塑料喂养小鼠的异常行为（图6A-I）。此外，阻断IL-1信号也减轻了小鼠脑内的小胶质细胞活化和IL-17a+CD4+细胞分化（图6J-K），说明IL-1信号通路在此过程中起到了关键作用。
07停用纳米塑料喂养可减轻纳米塑料引起的行为障碍
最后，研究者研究了停止纳米塑料喂养是否可减轻脑损伤的影响。在纳米塑料处理2个月后，停止纳米塑料喂养1个月，然后测试小鼠的行为（图7A）。在停止纳米塑料喂养后，小鼠的运动活动减少和探索新对象的优先指数减轻（图7B-E）。在水迷宫实验中，两组到达目标平台的时间无差异（图7F-H）。此外，研究者还在AD (APP/PS1)小鼠中观察到这种停止纳米塑料喂养的策略的效果（图7I-P）。这些证据表明，长期纳米塑料处理引起的认知功能障碍是可逆的，而不是永久性的。
综上所述，在本研究中，研究者发现，纳米颗粒被巨噬细胞有效地吞噬，并导致了溶酶体损伤。在纳米塑料喂养的小鼠中，单细胞测序鉴定出了一个新的亚群，高表达IL-1β的巨噬细胞群，它从肠道向全身释放大量的IL-1信号，而这是由溶酶体损伤通路的激活所引发的。肠道IL-1信号激活大脑小胶质细胞并诱导脑Th17细胞的分化，并最终导致了认知与记忆功能的下降。总之，这项为肠-脑轴的机制提供了新的见解，并描绘了纳米塑料可能导致脑部认知和记忆能力的降低，突出了解决全球塑料污染问题的重要性。
此外，该团队的另外一项研究“Nanoplastics shape adaptive anticancer immunity in the colon in mice”于4月12日在《Nano Letters》（Top期刊，中科院1区，IF 12.265）杂志上在线发表。该研究利用单细胞测序技术，对经过纳米塑料灌胃处理小鼠的肠道免疫细胞群的组成和差异基因表达进行了分析，并构建原位结肠肿瘤模型，证实纳米塑料重塑肠道免疫，促进肿瘤生长。
1. Oral feeding of nanoplastics affects brain function of mice by inducing macrophage IL-1 signal in the intestine, Cell Reports. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2023.112346
2. Nanoplastics shape adaptive anticancer immunity in the colon in mice, Nano Letters. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c00644
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