生物降解塑膠的潛在風險：北京大學江輝教授團隊首次報告聚乳酸微/奈米塑膠引起的生殖毒性
塑膠的廣泛使用極大地促進了工業文明和經濟發展，但也造成了嚴重的環境污染，尤其是微塑膠（MP）和奈米塑膠（NP）在人類環境中無處不在。現有研究表明，人類平均每週攝入的微塑膠顆粒約為0.1至5克，這引發了人們對潛在健康風險的擔憂。
為了緩解塑料污染，人們引入了可生物降解塑料，作為傳統石油基塑料的環保替代品。聚乳酸（PLA）是全球生產和消費最廣泛的可生物降解塑料，用於食品包裝。 免洗餐具此外，PLA也可用作生物醫學應用中的藥物載體。雖然PLA被認為是一種「環保」塑料，但研究表明，攝入PLA可能導致炎症，並且PLA在降解過程中產生的微塑料可能比傳統的石油基塑料更多，這表明其潛在風險，值得進一步研究。
2025年1月27日，北京大學第一醫院江輝教授團隊在權威材料科學期刊上發表了一篇研究論文。 ACS Nano題為「聚乳酸微/奈米塑膠暴露透過幹擾小鼠精子發生和粒線體功能障礙誘導雄性生殖毒性」的研究首次揭示了聚乳酸微/奈米塑膠（PLA-MP/NP）對雄性小鼠的生殖毒性，表明其毒性機制可能與傳統石油基微塑膠相似。這些發現為評估可生物降解塑膠的環境風險提供了理論基礎。
不孕症是全球性的公共衛生問題，也是繼癌症和心血管疾病之後，全球第三大頑固性疾病。少精症（精子數量少）是男性不孕症的主要原因之一，而環境污染被認為是導致男性生育能力下降的重要因素。因此，環境污染物對生殖健康的影響已成為廣泛關注的焦點。江輝團隊先前的研究證實了男性生殖系統中存在微塑料，並表明傳統的石油基聚苯乙烯（PS）微塑料會導致青春期前男性睪丸損傷，從而威脅生育能力。然而，人們對聚乳酸（PLA）對男性生殖功能的影響知之甚少。因此，研究團隊對小鼠進行了為期 56 天的重複口服毒性研究，採用環境相關劑量（10 mg/kg/d、100 mg/kg/d）和危害識別劑量（1000 mg/kg/d）的 PLA 微塑膠 (PLA-MP)，以探索 PLA-MP 暴露對雄性小鼠的生殖毒性。
結果表明，PLA-MP被吸收後，可透過血液循環穿過血睪屏障，並在睪丸微環境中蓄積。這種蓄積導致了顯著的生殖毒性，包括精子數量減少、精子活力下降、精子畸形率增加以及荷爾蒙失衡。此外，組織病理學檢查顯示生精小管退化、生殖細胞流失以及生殖上皮組織破壞。值得注意的是，生精小管內精子發生腔擴大以及部分生精小管內精子完全消失，顯示睪丸結構嚴重受損。這些發現支持了PLA-MP暴露可導致雄性小鼠生殖毒性的假設。
粒線體功能障礙是環境污染物致毒的關鍵機制之一，而粒線體損傷被認為是微塑膠致毒的關鍵機制。本研究發現，PLA-MP暴露後，顆粒被細胞內吞併積聚於粒線體。內吞的PLA-MP導致粒線體形態改變，例如腫脹、體積增大、空泡化、管狀嵴形成、粒線體自噬體的出現。活性氧（ROS）水平作為氧化壓力的重要指標，呈現劑量依賴性增加，而ROS水平升高引起的粒線體功能障礙進一步加劇了氧化應激，形成持續粒線體損傷的惡性循環。為了評估PLA-MP暴露對粒線體功能的影響，研究團隊檢測了GC-2精母細胞中粒線體完整性的指標，包括Ca2+水平、ATP生成和粒線體膜電位（MMP）。結果表明，PLA-MP暴露降低了MMP和ATP水平，同時顯著提高了細胞內Ca2+水平，提示粒線體功能障礙可能是PLA-MP誘導生殖毒性的敏感指標。
粒線體鞘是精子尾部的重要組成部分，對維持精子活力至關重要。粒線體鞘的結構異常會導致男性不孕。為了探究聚乳酸（PLA）顆粒是否會穿透精子並造成粒線體鞘損傷，研究團隊利用透射電鏡觀察了精子中段的超微結構。如預期，他們發現一定數量的奈米級PLA顆粒附著在精子中段。值得注意的是，PLA奈米顆粒甚至能夠穿透精子內部到達粒線體鞘，參與粒線體的解體過程。此外，PLA也會破壞精子內部的氧化還原穩態，引發氧化應激，最終導致精子粒線體的結構和功能受損。
為了進一步探討PLA-MP誘導生殖毒性的分子機制，研究團隊對高劑量暴露組的睪丸組織進行了轉錄組分析。結果顯示，PLA-MP顯著下調了多個與精子發生相關的關鍵基因（例如C3、Pde7b、Wt1和Dkk3）的表達，並影響了與粒線體功能相關的通路，例如鈣離子轉運。這些發現表明，PLA-MP暴露可透過抑制精子發育關鍵基因的表達，導致精子發生受損，並加劇生殖毒性。
總之，本研究首次證實聚乳酸（PLA）微/奈米塑膠可透過幹擾精子發生和導致粒線體功能障礙，誘導雄性小鼠產生生殖毒性。結果表明，PLA微塑膠可穿透血睪屏障，在睪丸微環境中積聚，並誘導小鼠產生氧化壓力、荷爾蒙失衡和睪丸發育障礙。此外，PLA微塑膠降解為奈米塑膠後可穿透精子粒線體，造成粒線體損傷，提示粒線體功能障礙是PLA誘導生殖毒性的關鍵機制和早期指標。
總體而言，這項研究加深了我們對可生物降解微塑膠對人類健康毒理學影響的理解，並為評估可生物降解塑膠的健康風險提供了新的見解。由於聚乳酸（PLA）通常被宣傳為一種「環境友善」塑料，因此其生物轉化、生物分佈以及對人體的潛在毒理學影響值得進一步關注。
論文的通訊作者包括北京大學第一醫院的薑輝教授、北京大學第三醫院的張哲教授和中國科學院生態與環境研究所的李媛媛博士。北京大學第一醫院的趙乾城博士為第一作者，方子水博士（博士後研究員）和王鵬程博士（北京大學第三醫院）為共同第一作者。