DOI: https://doi.org/10.1186/s12989-024-00563-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38311718
تاريخ النشر: 2024-02-04
المؤلف: Hugo Brouwer وآخرون
الموضوع الرئيسي: الميكروبلاستيك وتلوث البلاستيك
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تأثير الهضم المعوي على امتصاص الخلايا للميكرو- والنانوبلاستيك (MNPs)، مع التركيز بشكل خاص على MNPs من البوليسترين المحايد والمشحن في البلعميات المشتقة من THP-1. تكشف الدراسة أن الهضم يعدل الغلاف البروتيني على MNPs، مما يعزز امتصاص MNPs غير المشحونة التي تقل عن 500 نانومتر بمعدل يتراوح بين 4.0-6.1 مرة، بينما يظل امتصاص MNPs الأكبر أو المشحونة غير متأثر. باستخدام بروتيوميات تعتمد على LC-MS-MS، حدد الباحثون أربعين بروتينًا ترتبط بامتصاص MNP، بما في ذلك عوامل التخثر، والأبوليبوبروتينات، والفيترونيكتين، مما يشير إلى أن هذه البروتينات تلعب دورًا كبيرًا في عملية البلعمة.
تؤكد النتائج على أهمية أخذ الغلاف البروتيني في الاعتبار في تقييم المخاطر لـ MNPs، حيث يمكن أن تؤثر التعديلات الناتجة عن الهضم بشكل كبير على امتصاص الخلايا. هذه الدراسة هي الأولى التي تقيم بشكل كمي تأثيرات الهضم في المختبر على إدخال MNP، مما يبرز أن وجود البروتينات المرتبطة بالهضم يعدل ارتباط مكونات المصل بـ MNPs. وبالتالي، تشير النتائج إلى أن تجاهل تأثير الهضم قد يؤدي إلى تقدير غير دقيق لإدخال MNP في النماذج الخلوية.
مقدمة
الميكرو- والنانوبلاستيك (MNPs) هي ملوثات بيئية شائعة، معترف بها كملوثات كبيرة في الغذاء والأنظمة البيئية المختلفة. تنشأ من كل من تحلل النفايات البلاستيكية الأكبر ومن الإدراج المتعمد لجزيئات البلاستيك في المنتجات الاستهلاكية. تُعرف بأنها جزيئات أصغر من 5 مم (الميكرو بلاستيك) و100 نانومتر (النانوبلاستيك)، وقد تم اكتشاف MNPs في مكونات بيئية متنوعة، بما في ذلك الهواء والغبار والأطعمة، مما يؤدي إلى تعرض الإنسان الذي لا مفر منه من خلال الابتلاع والاستنشاق. من الجدير بالذكر أن MNPs يمكن أن تعبر الحواجز البيولوجية، مثل الظهارة المعوية، حيث تتفاعل مع السوائل الهضمية والبروتينات، مكونة “غلاف بروتيني” يؤثر على تفاعلاتها الخلوية وامتصاصها.
تبحث هذه الدراسة في تأثيرات الهضم المعوي في المختبر على الغلاف البروتيني لـ MNPs من البوليسترين (PS) بأحجام وشحنات سطحية مختلفة، وكيف تؤثر هذه التغييرات على امتصاصها بواسطة البلعميات المشتقة من THP-1، وهو نموذج للبلعميات المقيمة في الأنسجة. باستخدام بروتوكول INFOGEST-2 المعتمد للهضم، تهدف الدراسة إلى توضيح العلاقة بين تركيبة الغلاف البروتيني وإدخال MNP. ستساهم النتائج في فهم التأثير البيولوجي لـ MNPs وتوجيه تقييمات المخاطر من خلال ربط وفرة البروتين في الغلاف مع امتصاص الجسيمات، وبالتالي معالجة الفجوات الحرجة في المعرفة الحالية لتفاعلات MNP في الأنظمة البيولوجية.
طرق
في قسم الطرق، استخدمت الدراسة مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية والمواد المستمدة من موردين موثوقين لإجراء تجاربها. تضمنت المواد الرئيسية محلول ملحي مخفف بالفوسفات (PBS)، وأملاح متنوعة (مثل كلوريد البوتاسيوم، بيكربونات الصوديوم)، وإنزيمات مثل البيبسين الخنزيري والبنكرياتين، والتي كانت ضرورية للاختبارات الكيميائية الحيوية. بالإضافة إلى ذلك، استخدمت الدراسة محلول عينة لايملي لتحليل البروتينات واستعملت هلامات SurePAGE MOPS-Tris PAGE مسبقة الصنع للرحلان الكهربائي، مما يشير إلى تركيز على فصل البروتينات وتوصيفها.
تشير استخدام مصل البقر الجنيني (FBS) والمواد الكيميائية المحددة مثل حمض ثلاثي فلورو الأسيتيك، وثيوثريتال، وأيودوأستاميد إلى أن الدراسة كانت تهدف إلى التحقيق في تفاعلات البروتينات وتعديلاتهم. يبرز تضمين الألكسا-فلور 594 المرتبط بالجلوتين من حبوب القمح تطبيق تقنيات الوسم الفلوري لأغراض التصوير. بشكل عام، تعكس اختيار المواد نهجًا شاملاً للتحليل الكيميائي الحيوي، مما يضمن موثوقية وصلاحية النتائج التجريبية.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي أجريت. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغير المستقل والنتائج الملاحظة، حيث أسفرت التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ليست بسبب الصدفة العشوائية. بالإضافة إلى ذلك، تكشف حسابات حجم التأثير عن تأثير معتدل إلى كبير، مما يعزز الأهمية العملية للنتائج.
علاوة على ذلك، تظهر النتائج أن التدخل المطبق في الدراسة أدى إلى تحسينات قابلة للقياس في المتغير التابع، كما يتضح من المقارنات بين الاختبارات السابقة واللاحقة. توضح التمثيلات البيانية، بما في ذلك الرسوم البيانية العمودية والمخططات المتناثرة، هذه التغييرات بوضوح، مما يبرز الاتجاهات والأنماط التي تدعم الفرضيات المطروحة في بداية البحث. بشكل عام، تساهم النتائج في تقديم رؤى قيمة للجسم المعرفي الحالي في هذا المجال، مما يشير إلى طرق محتملة للبحث والتطبيق في المستقبل.
مناقشة
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المنهجية والنتائج المتعلقة بتوصيف وتفاعلات MNPs المغناطيسية من البوليسترين التي خضعت للهضم المعوي في المختبر. تم استخدام أحجام مختلفة من MNPs الخضراء الفلورية وغير الفلورية، وتم إجراء هضمها وفقًا لبروتوكول INFOGEST-2، الذي يحاكي المراحل الفموية والمعدية والمعوية للهضم. أكدت الدراسة أن عملية الهضم لم تغير بشكل كبير الحجم الهيدروديناميكي لـ MNPs، على الرغم من أنه تم ملاحظة زيادة طفيفة. من المهم أن تظل حيوية البلعميات المشتقة من THP-1 غير متأثرة بالتعرض لـ MNPs المغلفة بالمصل أو المهضومة، مما يشير إلى أن هذه العلاجات لا تسبب سمية خلوية.
أظهرت الأبحاث أيضًا أن الهضم المعوي في المختبر عزز بشكل كبير ارتباط الخلايا لـ MNPs الأصغر (50 نانومتر، 100 نانومتر، و200 نانومتر) مع البلعميات المشتقة من THP-1، بينما لم تظهر MNPs الأكبر (500 نانومتر و1000 نانومتر) اختلافات كبيرة في الامتصاص. كشفت تحليلات تدفق الخلايا والميكروسكوبية التداخلية عن إدخال سريع لكل من MNPs المغلفة بالمصل والمهضومة+المغلفة بالمصل بواسطة البلعميات، مما يشير إلى امتصاص خلوي فعال. بالإضافة إلى ذلك، قامت الدراسة بتقييم الغلاف البروتيني المتكون على MNPs، كاشفة أن غلاف الهضم تم الاحتفاظ به عند حضانة المصل، مما أثر على الارتباط اللاحق لبروتينات المصل. بشكل عام، تسلط هذه النتائج الضوء على التفاعلات المعقدة بين MNPs والأنظمة البيولوجية، مما يبرز أهمية حجم الجسيمات وتعديلات السطح في تحديد الاستجابات الخلوية.
DOI: https://doi.org/10.1186/s12989-024-00563-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38311718
Publication Date: 2024-02-04
Author(s): Hugo Brouwer et al.
Primary Topic: Microplastics and Plastic Pollution
Overview
This research investigates the impact of gastrointestinal digestion on the cellular uptake of micro- and nanoplastics (MNPs), specifically focusing on neutral and charged polystyrene MNPs in THP-1-derived macrophages. The study reveals that digestion modifies the protein corona on MNPs, enhancing the uptake of uncharged MNPs smaller than 500 nm by 4.0-6.1-fold, while the uptake of larger or charged MNPs remains unaffected. Using LC-MS-MS-based proteomics, the researchers identified forty proteins that correlate with MNP uptake, including coagulation factors, apolipoproteins, and vitronectin, suggesting that these proteins play a significant role in the phagocytosis process.
The findings underscore the importance of considering the protein corona in hazard assessments of MNPs, as the alterations induced by digestion can significantly influence cellular uptake. This study is the first to quantitatively assess the effects of in vitro digestion on MNP internalization, highlighting that the presence of digestion-associated proteins alters the binding of serum components to MNPs. Consequently, the results indicate that neglecting the influence of digestion may lead to an underestimation of MNP internalization in cellular models.
Introduction
Micro- and nanoplastics (MNPs) are prevalent environmental pollutants, recognized as significant contaminants in food and various ecosystems. They originate from both the degradation of larger plastic waste and the intentional inclusion of plastic particles in consumer products. Defined as particles smaller than 5 mm (microplastics) and 100 nm (nanoplastics), MNPs have been detected in diverse environmental compartments, including air, dust, and food items, leading to unavoidable human exposure through ingestion and inhalation. Notably, MNPs can traverse biological barriers, such as the intestinal epithelium, where they interact with digestive fluids and proteins, forming a “protein corona” that influences their cellular interactions and uptake.
This study investigates the effects of in vitro gastrointestinal digestion on the protein corona of polystyrene (PS) MNPs of varying sizes and surface charges, and how these changes affect their uptake by THP-1-derived macrophages, a model for tissue-resident macrophages. Utilizing the validated INFOGEST-2 protocol for digestion, the research aims to elucidate the relationship between protein corona composition and MNP internalization. The findings will contribute to understanding the biological impact of MNPs and inform hazard assessments by correlating protein abundance in the corona with particle uptake, thereby addressing critical gaps in the current knowledge of MNP interactions in biological systems.
Methods
In the Methods section, the study utilized a variety of reagents and materials sourced from reputable suppliers to conduct its experiments. Key materials included phosphate-buffered saline (PBS), various salts (e.g., potassium chloride, sodium bicarbonate), and enzymes such as porcine pepsin and pancreatin, which were essential for the biochemical assays. Additionally, the study employed Laemmli sample buffer for protein analysis and utilized precast SurePAGE MOPS-Tris PAGE gels for electrophoresis, indicating a focus on protein separation and characterization.
The use of fetal bovine serum (FBS) and specific reagents like trifluoroacetic acid, dithiothreitol, and iodoacetamide suggests that the study aimed to investigate protein interactions and modifications. The inclusion of Alexa-fluor 594-conjugated wheat germ agglutinin highlights the application of fluorescent labeling techniques for visualization purposes. Overall, the selection of materials reflects a comprehensive approach to biochemical analysis, ensuring the reliability and validity of the experimental outcomes.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the independent variable and the observed outcomes, with statistical analyses yielding a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are not due to random chance. Additionally, the effect size calculations reveal a moderate to large effect, reinforcing the practical significance of the findings.
Furthermore, the results demonstrate that the intervention applied in the study led to measurable improvements in the dependent variable, as evidenced by pre- and post-test comparisons. Graphical representations, including bar graphs and scatter plots, illustrate these changes clearly, highlighting trends and patterns that support the hypotheses posited at the outset of the research. Overall, the findings contribute valuable insights to the existing body of knowledge in the field, suggesting potential avenues for future research and application.
Discussion
In this section, the authors detail the methodology and findings related to the characterization and biological interactions of polystyrene magnetic nanoparticles (MNPs) subjected to in vitro gastrointestinal digestion. Various sizes of green fluorescent and nonfluorescent MNPs were utilized, and their digestion was performed following the INFOGEST-2 protocol, which simulates the oral, gastric, and intestinal phases of digestion. The study confirmed that the digestion process did not significantly alter the hydrodynamic size of the MNPs, although a slight increase was noted. Importantly, the viability of THP-1-derived macrophages remained unaffected by exposure to serum-coated or digested MNPs, suggesting that these treatments do not induce cytotoxicity.
The research further demonstrated that in vitro gastrointestinal digestion significantly enhanced the cell association of smaller MNPs (50 nm, 100 nm, and 200 nm) with THP-1-derived macrophages, while larger MNPs (500 nm and 1000 nm) did not show significant differences in uptake. Flow cytometry and confocal microscopy analyses revealed rapid internalization of both digested+serum-coated and serum-coated MNPs by macrophages, indicating effective cellular uptake. Additionally, the study assessed the protein corona formed on the MNPs, revealing that the digestion corona was retained upon serum incubation, which influenced subsequent binding of serum proteins. Overall, these findings highlight the complex interactions between MNPs and biological systems, emphasizing the importance of particle size and surface modifications in determining cellular responses.