纳米塑料扰动细胞膜引发混合物“旁观者摄取效应”
纳米塑料扰动细胞膜引发混合物“旁观者摄取效应”
近日，中国科学院东莞材料科学与技术研究所/松山湖材料实验室研究员元冰团队联合华南师范大学教授刘鸿团队、浙江师范大学教授杨恺团队，在环境毒理与膜生物物理交叉领域取得新进展。相关成果发表于《危险材料杂志》（ Journal of Hazardous Materials ）。
PS25通过物理膜扰动驱动“旁观者摄取”效应的示意图。研究团队供图
随着全球塑料产量的激增，环境中微/纳米塑料的分布已成为备受关注的环境科学问题。纳米塑料（<100 nm）可通过食物链等途径进入生物体，其与生物屏障的界面相互作用机制是环境毒理学研究的重要方向。然而，在复杂的生物基质中，生物大分子聚集体容易被误判为纳米塑料，从而影响生物累积与毒性评估的准确性。为排除复杂生物基质与细胞内信号网络的干扰，探究纳米塑料在最基本生物界面——细胞膜上的本征物理相互作用显得尤为迫切。
为此，研究团队采用“自下而上”的严谨策略，将人工模型细胞膜（支撑脂双层SLBs和巨型单层囊泡GUVs）的介观热力学表征与活细胞动力学实验相结合，系统揭示了25 nm聚苯乙烯纳米塑料（PS25）通过物理膜扰动驱动大分子“旁观者摄取效应”的作用机制。
研究发现，相较于较大尺寸的PS50颗粒，PS25表现出更高的细胞内化效率，并能更显著地引发线粒体去极化、细胞凋亡及迁移抑制。模型膜实验进一步揭示了其微观物理基础：尽管存在静电排斥，PS25仍能高密度地物理吸附于脂质膜表面。在带负电的SLB体系中，PS25的吸附产生了“物理钉扎”效应，使可移动脂质比例从96.9%降至67.2%，限制了膜的侧向流动性；在GUV体系中，这种不对称的物理插入诱发了宏观的膜拓扑形变，导致囊泡出芽/管状化比例从18%增至85%，且未引起细胞膜的急性穿孔渗漏。
基于上述膜物理重塑现象，研究团队进一步探究了其对共存惰性粒子的“旁观者摄取”效应。活细胞成像与流式细胞术结果表明，PS25施加的局部曲率应力与脂质堆积状态的改变，促使细胞启动了高度依赖胆固醇的巨胞饮与脂筏内吞通道。在这一大尺度流体动力学过程中，PS25能够像“入胞促进剂”一样，将通常不易穿透细胞膜的多种物质（包括金属纳米颗粒、牛血清白蛋白、多肽及脂质纳米颗粒等）的内化效率协同提升2至6倍。这一发现表明，纳米塑料在环境中可扮演共存污染物的“进入促进剂”角色，这为在真实环境中建立包含“鸡尾酒效应”的复合污染物风险评估模型提供了物理化学理论依据。
值得一提的是，自2019年大分子跨膜的“旁观者摄取效应”被发现和定义以来，团队已相继揭示了功能化纳米粒子诱导的跨尺度信号耦合，双向功能化体系的效率增强，以及形状熵介导的动力学路径选择机制。本工作进一步证实了，即使剥离物质的生化靶向特异性，单纯依靠非生物活性高分子的物理力学重塑，亦足以触发大规模的旁观者摄取效应。该系列研究将底层物理化学机制与细胞代谢表型相统一，为全面评估复杂环境污染物的复合暴露风险提供了机制学参考。
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2026.143303