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近日，浙江大学动物科学学院刘广绪教授团队在材料领域著名学术期刊Advanced Healthcare Materials上发表了题为“Exposure to Polystyrene Nanoplastics Led to Learning and Memory Deficits in Zebrafish by Inducing Oxidative Damage and Aggravating Brain Aging”的研究论文。全文探究了环境现实浓度下聚苯乙烯纳米塑料对经典模式生物斑马鱼（Danio rerio）学习和记忆缺陷样行为的诱发作用，并揭示了其潜在的作用机制，为全球新型污染物干预生物认知障碍提供新的见解。第一作者为周伟尚。
【引言】
越来越多的证据表明环境污染物是诱发动物认知功能障碍的常见原因之一，可能会导致学习和记忆缺陷样行为的发生。纳米塑料（Nanoplastics，NPs）因其极小的粒径，拥有穿过血脑屏障的能力，因此具有潜在的中枢神经毒性。目前纳米塑料等新型污染物对学习和记忆缺陷样行为的影响尚未见报道，亟待研究探明。为了完善纳米塑料健康风险知识体系，本研究以模式生物斑马鱼（Danio rerio）为模型，评估了现实环境浓度水平的新型污染物－聚苯乙烯纳米塑料（Polystyrene Nanoplastics，PS-NPs）对其学习和记忆行为的影响，并从脑组织老化和氧化损伤角度探究了其潜在的作用机制。
【图文导读】
聚苯乙烯纳米塑料的理化特性
图1：聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）的理化特性
作者首先对暴露用聚苯乙烯纳米塑料（PS-NPs）的理化特性进行了鉴定分析。扫描电镜结果显示，所采用的PS-NPs外形为规则球状，直径为 50.00 ± 3.00 nm（图 1A）。纳米电位检测分析表明，PS-NPs在水中的 zeta 电位为-27.51 ± 1.86 mV（图 1B），在水中呈规则分散。傅里叶变换红外光谱分析显示，所用PS-NPs为PS纯品，无其他化学成分添加（图 1C）。
斑马鱼T型迷宫探索
图2：PS-NPs改变斑马鱼运动行为轨迹。
为期28天的PS-NPs暴露显著改变了斑马鱼在T型迷宫中的探索行为（图 2）。游泳轨迹重建显示，在经过4天的食物奖励训练后，对照组的斑马鱼对T型迷宫食物奖励区（右臂）表现出明显的偏好，而PS-NPs处理在一定程度上抑制了这种偏好行为的发生（图 2A）。统计结果显示，与对照组斑马鱼相比，PS-NPs暴露处理后的斑马鱼在T型迷宫探索任务中表现出明显更长的潜伏期（图 2B&C，p < 0.05）。
图3：PS-NPs降低斑马鱼奖励区停留时间。
此外，与对照组相比，为期28天的PS-NPs暴露显著降低了斑马鱼对食物奖励区的喜好性（图3）。具体而言，重建热图显示，与对照组的斑马鱼相比，PS-NPs处理后的斑马鱼个体在T型迷宫探索任务中停留在食物奖励区的时间更短（图3A）。根据统计结果，经过4天的食物奖励训练后，经PS-NPs暴露处理的斑马鱼在食物奖励区的累计停留时间明显少于对照组（图 3B&C，p < 0.05）。上述潜伏期的延迟和奖励区累积停留时间的减少表明斑马鱼的学习和记忆能力在PS-NPs暴露后受到了严重损害。
斑马鱼脑组织衰老
图4：PS-NPs加速斑马鱼脑组织衰老。
进一步的分析显示，暴露于PS-NPs的斑马鱼大脑中的衰老标记物（β-半乳糖苷酶和脂褐素）水平显著高于对照组（图4，p < 0.05），表明PS-NPs暴露加速了斑马鱼的大脑衰老，这可能是PS-NPs暴露导致学习和记忆缺陷样行为的直接原因。
斑马鱼脑组织氧化应激状态
图5：PS-NPs诱导斑马鱼脑组织氧化应激。
另一方面，为期28天的PS-NPs暴露还导致斑马鱼脑组织发生显著的氧化应激。具体而言，相较于对照组，PS-NPs暴露处理后的斑马鱼脑组织中活性氧水平显著更高（图 5A-C，p < 0.05）、总抗氧化能力（T-AOC）明显降低（图 5D&E，p < 0.05）、过氧化氢 （H2O2）和超氧阴离子（O2-）积累量显著增加（图 5F-I，p < 0.05）。
斑马鱼脑组织氧化损伤
图6：PS-NPs加剧斑马鱼脑组织氧化损伤。
伴随着氧化应激状态的改变，与对照组斑马鱼相比，经PS-NPs暴露处理的斑马鱼脑中的���-H2AX（图 6A-C，p < 0.01）、8-羟基脱氧鸟苷（8-OHdG）（图 6D&E，p < 0.05）、脂质氧化损伤标志物丙二醛（图 6F&G，p < 0.05）以及蛋白质损伤标志物（图 6H&I，p < 0.05）水平也显著升高，说明PS-NPs诱导了斑马鱼脑组织氧化损伤，这可能是其引起斑马鱼大脑衰老的直接原因。
斑马鱼脑组织能量供应及细胞周期
图7：PS-NPs抑制能量供应以及造成细胞周期阻滞。
研究结果还显示，与对照组斑马鱼相比，PS-NPs暴露处理后的斑马鱼大脑中的ATP（图 7A-B，p < 0.05）和CDK2（图 7C-D，p < 0.05）含量显著降低，而作为CDK2上游负向调控因子的p53被明显激活（图 7E-F，p < 0.05），说明PS-NPs暴露造成了斑马鱼大脑能量供应短缺和细胞周期停滞。由于充足的能量供应和正常的脑细胞周期对大脑的认知功能至关重要，上述影响可能是PS-NPs暴露诱导斑马鱼学习和记忆缺陷样行为发生的另一个原因。
【小结】
本研究发现发现聚苯乙烯纳米塑料可能通过引起氧化损伤、加速脑衰老、抑制能量供应以及造成细胞周期阻滞，进而诱导斑马鱼学习与记忆缺陷样行为。考虑到人类和斑马鱼基因组序列高度同源，且人类可能长期摄入受纳米塑料污染的水和食物。因此，环境纳米塑料污染可能对人类的脑健康构成潜在威胁，值得进一步密切关注。
本项目得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和浙江省自然科学基金的资助。
【作者简介】
第一作者：周伟尚，博士研究生，浙江大学动物科学学院。研究方向：（1）全球性新型污染物的生态毒理效应及其作用机理研究；（2）全球环境变化对水产品食品安全的影响及解决方案研究。目前以第一作者在Environmental Health Perspectives, Advanced Healthcare Materials, Environmental Science & Technology, Marine Pollution Bulletin发表论文4篇。
通讯邮箱: ws_zhou@zju.edu.cn
通讯作者：刘广绪，博士，教授，博士生导师，浙江大学动物科学学院。研究方面包括：（1）海洋酸化对贝类受精、多精受精的影响与作用机理研究；（2）全球性环境问题对海洋经济物种的生态毒理效应及其作用机理研究；（3）海洋环境对水产品食品安全的影响及解决方案研究。先后主持国家重点研发课题1项，国家自然科学基金项目4项。近五年（2017-）以通讯作者在Environmental Science & Technology, Journal of Hazardous Materials, Environmental Pollution等发表SCI论文50余篇，出版英文专著1部。
通讯邮箱：guangxu_liu@zju.edu.cn
转自：“高分子科学前沿”微信公众号
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