肌萎缩侧索硬化（ALS），也被称为渐冻症，是一种神经退行性疾病。这种病逐渐损害大脑和脊髓中的运动神经元，最终影响肌肉控制能力。最初，患者有极大几率会出现走路、写字或说话困难等轻微症状。随着病情进展，患者会逐渐失去运动能力，最后导致呼吸肌肉衰竭，需要借助呼吸机来维持呼吸。

  著名物理学家史蒂芬·霍金（Stephen Hawking）是渐冻症的知名患者。霍金在21岁时被诊断出患有ALS，这种疾病导致他的身体肌肉逐渐衰弱和萎缩，但并不影响他的认知能力。尽管医生最初预计他只能活两年，但他顽强地与疾病抗争了几十年，直到2018年去世。

  ALS的进展速度因人而异，通常在确诊后数年内会严重影响患者的生活品质。虽然目前对ALS的确切病因尚不完全清楚，但一些研究表明，外因可能与ALS的发展有关。然而，ALS的最终的原因仍然是一个谜。

  在这里，中国科学院生态环境研究中心江桂斌院士和宋杨研究员共同展示了纳米级聚苯乙烯塑料（PS）可诱发类似 ALS 的症状，并说明了相关的分子机制。当暴露于 PS 时，细胞会承受内部氧化应激，因此导致 TAR DNA 结合蛋白 43 kDa（TDP-43）聚集，引发类似 ALS 的特征。此外，氧化的热休克蛋白 70 无法护送 TDP-43 回到细胞核。TDP-43在细胞质中的积累促进了PS与TDP-43之间复合物的形成，增强了TDP-43的凝结和固化。 这些研究结果通过计算和体内试验得到了证实。总之，本工作说明了纳米颗粒诱导的独特毒理学机制，并为环境污染与神经退行性疾病之间的联系提供了见解。相关成果以“Polystyrene nanoparticles trigger aberrant condensation of TDP-43 and amyotrophic lateral sclerosis-like symptoms”为题发表在《Nature Nanotechnology》上，第一作者为Hang Sun。

  首先，作者将普通 PS 暴露于 HeLa 细胞，发现这些细胞中的转基因或内源性核 TDP-43 从正常的弥散模式变为明显的颗粒状外观（图 1a ）。使用增强型绿色荧光蛋白（EGFP）作为 TDP-43 的标签（EGFPTDP-43），作者分析了 TDP-43 的融合和光漂白后荧光恢复（FRAP），以确认 PS 诱导的 TDP-43 颗粒的动态。红色和黄色箭头代表融合前的两个 EGFPTDP-43 液滴，蓝色箭头代表融合完成（图 1b ）。融合后颗粒的面积明显大于融合前的面积，这在某种程度上预示着球形 TDP-43 颗粒具有类似液体的特性。EGFPTDP-43 颗粒的 FRAP 显示其迅速恢复，在大约 75 秒内达到初始强度的约 50%（图 1c）。

  研究发现，反常的液-液相分离（LLPS）会导致生物分子从液态变为固态，并高度凝聚成与ALS等神经退行性疾病相关的不可逆病理纤维。研究人员对PS刺激下的核TDP-43凝聚体的动态组装进行了研究，发现周围的TDP-43蛋白分子不断累积，形成不规则的大尺寸凝聚体（图1d）。在早期阶段，细胞核中TDP-43凝聚物的数量与PS暴露的时间和浓度成正相关，但跟着时间推移，这些数量减少（图1e），表明TDP-43处于高度凝聚状态。同时，核TDP-43凝聚物的平均荧光强度随着暴露时间增加而增强（图1f），显示出应力促进了TDP-43凝聚物的动态组装。FRAP分析进一步证实，PS诱导的TDP-43凝聚物经历了液固相变，晚期凝聚物对抑制剂具有抗性，表明其处于固态。

  Hsp70是一种分子伴侣，能帮助细胞在应激条件下恢复蛋白稳态。研究之后发现，带有红色荧光标签的Hsp70在PS刺激下会从细胞质转移到细胞核，并被招募到TDP-43凝聚物中（图2a）。在PS处理后的6小时和12小时内，Hsp70的表达增加，但在24小时内表达异常降低（图2a-c）。氧化损伤会导致Hsp70形成二聚体，PS处理组中确实发现了这种现象。使用β-巯基乙醇能抑制这种二聚体的形成（图2d），表明Hsp70在早期对PS反应迅速，但持续的PS处理会氧化Hsp70，可能损害其伴侣作用。

  进一步结果为Hsp70表达减少会降低PS触发的核TDP-43凝聚体的组装，证实了Hsp70在这样的一个过程中的特殊作用（图2ef）。敲除HSPA1A的细胞对PS挑战更为敏感，随着PS暴露时间延长，细胞存活率上升。FRAP分析也表明，HSPA1A的敲除影响了PS诱导的核TDP-43凝聚物的动态性。

  TDP-43主要存在于细胞核内，但它可以在细胞核和细胞质之间穿梭。错误定位的TDP-43可能会引起ALS的早期病理变化。研究推测，Hsp70功能丧失会导致PS暴露细胞中TDP-43在细胞质内增多。实验中，使用亚砷酸盐作为阳性对照，发现PS和亚砷酸盐处理的细胞中，核EGFPTDP-43被转移到细胞质，并被招募到应激颗粒（SG）中。

  三维渲染图显示，TDP-43散布在细胞质中（图3a）。PS暴露触发了TDP-43的细胞质错位，表明PS与TDP-43的直接接触可能会影响其对SG的招募。通过共聚焦显微镜观察HeLa细胞中的RFPS和EGFPTDP-43，发现它们在细胞质定位（图3de）。此外，三维渲染显示了复合物的空间位置关系（图3f），荧光强度分布分析表明复合物存在封装和邻近两种模式（图3g）。这些根据结果得出，RFPS与细胞质中的EGFPTDP-43凝聚物有直接接触。尽管SG的组装促进了TDP-43的聚集，但在轻度慢性应激下，TDP-43也可以独立于SG形成而聚集。

  细胞质 SG 可作为 安全区 保护细胞质 TDP-43 免受与疾病相关的磷酸化；因此，从细胞质 SG 分离出来的细胞质 TDP-43 被认为是病理聚集和寡聚的潜在客户。鉴于 PS 吸附的性质，作者假设 复合物的形成破坏了细胞质 TDP-43 的动态变化。经 RFPS 处理（100 µg ml -1，12 h）后，作者发现了 附着 RFPS 的复合态 EGFPTDP-43（；图 4a、b，蓝框）和 无 RFPS 的独立胞质 EGFPTDP-43（图 4a、b，黄框）。令人惊讶的是， 的动态明显低于 EGFPTDP-43（图 4c）。

  为了研究在细胞质中的动态变化，研究人员构建了失去核定位功能的EGFPTDP-43 NLSmut蛋白。紫色荧光PS（PFPS）处理后，EGFPTDP-43 NLSmut在细胞质中积累，且其动态变化明显低于独立的EGFPTDP-43 NLSmut。PFPS限制了EGFPTDP-43 NLSmut被招募到应激颗粒（SG）中，并导致其失去动态性，可能形成固态或纤维状病理结构。此外， NLSmut凝聚物的磷酸化水平明显地增加。研究还发现PS促进了重组TDP-43-MBP-His淀粉样纤维的形成，这通过荧光检测和电子显微镜分析得到验证。

  蛋白质在纳米粒子表面吸附会导致结构变性，促进蛋白质纤维化。作者使用三种分子对接模型评估PS吸附对两个TDP-43分子结合亲和力的影响（图5）。构建了一个直径约20纳米的PS纳米球，并展示了TDP-43分子在没有PS的情况下的对接（A型）。研究之后发现，与没有PS的对接相比，结合PS纳米球（B型和C型）的TDP-43分子间有更多的残基相互作用，且对接得分更低（图5c-h），表明结合更稳定。特别是C型对接得分最低（-35.583 REU）。同时，A326P突变的TDP-43二聚体在有PS的情况下结合亲和力低于野生型。这表明复合物的形成加速了TDP-43的LLPS和凝结。

  越来越多的流行病学证据说明，空气中的微粒暴露与渐冻症（ALS）风险有关。为验证长期吸入聚苯乙烯（PS）是否会导致小鼠出现类似ALS的症状，作者进行了相关动物实验（图6a）。C57BL/6J小鼠连续28天每天鼻内灌入30 nm PS（20mg/公斤），这种纳米颗粒能够最终靠鼻/嗅神经和全身循环进入大脑。

  实验结果为，虽然小鼠体重下降，但其肌肉纤维和脊髓前角的下运动神经元没有明显退化。然而，暴露于PS的小鼠在活动能力、运动协调、抓握能力、肢体握力以及认知能力方面都明显衰退（图6b-g）。基因组富集分析（GSEA）证实，PS暴露后小鼠大脑中的ALS相关通路显著下调，表明PS可能诱导或促进了ALS的发展。进一步分析显示，线粒体功能相关基因如ATP8也出现了失调，这与ALS的核心病因有关。此外实验显示，PS 鼻内暴露显著减少皮层区域的神经细胞，且在暴露组中形成了异常的高磷酸化 TDP-43 病灶。PS 处理的小鼠脑中也出现了 TDP-43 凝集物。

  作者的研究将环境污染物与蛋白质液-液相分离（LLPS）联系起来，提出了PS暴露导致TDP-43蛋白病变的机制。PS暴露会引起氧化应激和Hsp70耗竭，导致TDP-43白异常LLPS，进而加剧TDP-43的液固相变和病理聚集。此外，PS与TDP-43复合物的产生增加了TDP-43淀粉样蛋白纤维化的可能性。有必要注意一下的是，虽然PS暴露引起了与渐冻症（ALS）相关的症状，但它也引发了广泛的应激反应，包括神经炎症和氧化应激反应。目前尚不清楚接触PS是否会导致其他易聚集蛋白相关的广泛毒性，这些蛋白分别与帕金森病和阿尔茨海默病有关。观察到的大脑病理和功能障碍表明，PS暴露可能解释了类ALS表型，但缺乏运动神经元变性和肌肉萎缩表明PS暴露与遗传性ALS不同。实际上，患者大脑中的TDP-43病变相对稀少，这与作者在小鼠中观察到的情况相反。这些发现为评估超细粒子如何引发或加剧神经退行性疾病提供了新证据和视角。

  江桂斌，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，分析化学、环境化学家。1982年1月毕业于山东大学化学系，1987-1991在中科院生态环境研究中心获硕士和博士学位。1989-1991年和1994-1996年分别在加拿大国家研究院和比利时安特卫普大学作访问学者和博士后研究。现任环境化学与生态毒理学国家重点实验室主任，中国化学会副理事长，中国毒理学会副理事长，中国化学会环境化学专业委员会主任，北京色谱学会理事长。2005年受美国化学会委托领导成立了国际著名杂志ES&T的 Asian Office并独立负责审理和录用来自世界各地的稿件。研究领域涉及化学形态、分析仪器、环境过程与毒理、纳米材料环境应用及效应等。提出并推进了我国持久性有毒污染物的研究，为两期POPs 973项目首席科学家，国家基金委重大基金和创新群体负责人，国家973顾问组成员，国家纳米重大研究计划专家组成员，国家环境咨询委员会委员，国家食品安全风险评估专家委员会委员等。曾分别参加我国南极和北极科学考察。在国外SCI收录杂志发表论文600余篇，应邀在国内外重要学术会议和著名大学作大会报告或特邀报告400余次。培养的研究生2人获全国百篇优秀论文，先后6次获各种优秀研究生导师奖。1998年获得国家杰出青年科学基金，2001年获得中科院青年科学家奖，2008年获得香港浸会大学University Fellow, 2003年和2011年两次以第一完成人获得国家自然科学二等奖，2007年获得长江学者成就奖, 2013年获得安捷伦公司“思想领袖奖”，同年以POPs研究集体名义获得中国科学院杰出成就奖, 2014年获得香港浸会大学“杰出客座教授”。2009年当选中国科学院院士，2012年当选发展中国家科学院院士。

  宋杨研究员于2006年武汉大学获得博士学位，2006年至2008年美国爱荷华大学博士后，2008年至2021年西南大学工作，2021年获中国科学院“百人计划”资助，进入中国科学院生态环境研究中心工作。

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