发布时间：2026-10-21
第一作者：王志云副教授和陈梓薇硕士生（天津大学环境科学与工程学院）
通讯作者：刘宪华教授（天津大学环境科学与工程学院）；王涛教授和李雪平助理研究员（天津大学生命科学学院）
通讯单位：天津大学环境科学与工程学院；天津大学生命科学学院；天津大学合成生物学全国重点实验室
DOI：10.1038/s41467-026-74453-7
图文摘要
成果简介
微塑料已广泛存在于人体可接触环境中，医用PVC器械的直接暴露路径尤其值得关注。本研究以尿路致病性大肠杆菌（UPEC）为对象，系统考察了导管相关尺寸PVC微塑料对急性与慢性尿路感染的影响，并结合细胞模型、两类小鼠感染模型、细胞成像、蛋白检测、转录组和炎症蛋白组等手段解析其作用机制。研究发现，PVC微塑料在感染早期可富集UPEC并促进其侵入膀胱上皮细胞，显著提高膀胱和肾脏细菌定植；在后续阶段，内化的PVC微塑料可造成线粒体功能障碍，诱发线粒体ROS（mtROS）积累和线粒体DNA（mtDNA）泄漏，激活NLRP3炎症小体、Caspase-1及GSDMD介导的焦亡，进一步导致尿路上皮脱落并形成有利于UPEC持续感染的组织环境。该工作把“医用来源微塑料暴露”与“细菌感染易感性”连接起来，为导管相关尿路感染的环境-宿主-病原互作提供了新的机制解释。
引言
微塑料通常指粒径小于5 mm的塑料颗粒，已在食物链、饮用水和空气中广泛检出，并可通过吸入或摄入进入人体多个器官。与一般环境暴露相比，医疗场景中的PVC微塑料还存在直接暴露途径：输液管、导管及袋体等PVC医疗器械在使用过程中可能释放微米级颗粒，因此其生物学效应具有明确的临床相关性。尿路感染（UTIs）是常见的细菌感染之一，全球受影响人数超过4.4亿。UPEC是社区获得性UTI的主要病原体，也是导管相关尿路感染的重要致病菌。UPEC能够侵入膀胱上皮细胞、形成胞内菌群并建立静息胞内储库，从而逃避免疫清除和抗生素作用，推动复发和慢性感染。既往有关“塑料际”的研究多关注微生物在塑料表面的定植与传播，而PVC微塑料是否会直接改变致病菌在宿主体内的侵袭能力和感染结局仍缺乏机制证据。基于这一问题，论文工作围绕两个核心环节展开：一是PVC微塑料是否在急性感染阶段促进UPEC进入膀胱上皮；二是PVC微塑料进入宿主细胞后是否通过线粒体损伤和炎症性细胞死亡促进慢性尿路感染的形成。
图文导读
1. PVC微塑料作为载体促进UPEC侵入膀胱上皮细胞
图1：PVC微塑料通过网格蛋白介导的内吞促进UPEC侵入膀胱上皮细胞
体外实验显示，PVC微塑料以剂量依赖方式提高UPEC模式菌株CFT073进入膀胱上皮细胞的数量，临床分离的UPEC菌株中也观察到类似现象；体内2 h感染结果同样显示膀胱胞内细菌负荷升高。共聚焦和扫描电镜进一步表明，UPEC可直接黏附在PVC微塑料表面并与颗粒共同进入细胞。
使用甲基α-D-甘露吡喃糖苷阻断经典I型菌毛-宿主受体途径后，PVC微塑料仍可保留部分促侵袭效应；而氯丙嗪抑制网格蛋白介导的内吞后，该效应显著下降。删除fimAICDFGH基因簇后，UPEC既难以黏附PVC微塑料，也不再获得PVC微塑料带来的侵袭优势。以上结果说明细菌以I型菌毛“抓住”PVC颗粒，而宿主侧主要通过网格蛋白介导内吞完成复合物进入。
2. PVC微塑料加剧慢性尿路感染并促进尿路上皮脱落与炎症反应
图2：PVC微塑料通过诱导尿路上皮脱落促进UPEC慢性感染
在C3H/HeN慢性UTI模型中，PVC微塑料处理组在28天观察期的多个时间点均表现出更高菌尿水平。28 d时，PVC微塑料组膀胱和肾脏细菌负荷增加，慢性感染比例由CFT073单独感染组的46.7%升至73.3%。
组织层面，PVC微塑料进一步降低表层膀胱上皮标志物UpIII，并减少整体膀胱表面的双核浅表细胞，提示上皮脱落加剧。Olink炎症蛋白组显示，多种炎症因子/趋化因子上调；H&E及组织病理评分也显示膀胱和肾脏的上皮损伤与炎症浸润更重。
3. 线粒体损伤驱动NLRP3-Caspase-1焦亡轴
图3：PVC微塑料通过Caspase-1介导的焦亡诱导尿路上皮细胞脱落
研究团队观察到PVC微塑料诱导了线粒体嵴损伤、基质肿胀和碎片化，并伴随mtROS升高、线粒体膜电位下降及胞质mtDNA增加。BN-PAGE显示NLRP3寡聚增强，共聚焦观察到ASC speck增加，提示NLRP3炎症小体被激活；使用NLRP3特异性的小分子抑制剂MCC950处理可显著降低PVC微塑料诱导的IL-1β。
进一步通过Alovudine阻断mtDNA相关信号激活，或利用NAC清除mtROS，均有效缓解细胞及小鼠膀胱组织中IL-1β的异常升高，并促进体内UpIII表达恢复。结合Caspase-1药理学抑制及GSDMD裂解水平分析，研究揭示了PVC微塑料驱动UPEC慢性感染的潜在机制：PVC微塑料首先诱导线粒体损伤，导致mtROS积累及mtDNA外泄，继而激活NLRP3炎症小体，引发Caspase-1/GSDMD依赖性焦亡，促进膀胱浅表上皮细胞脱落，最终削弱尿路屏障功能并促进UPEC慢性感染。
4. 双阶段致病模型：急性期促侵袭，慢性期促焦亡
图4：论文提出的整体机制模型。PVC微塑料在急性感染阶段作为UPEC载体，在慢性阶段通过线粒体依赖性焦亡破坏尿路上皮屏障
该模型把急性和慢性两个阶段串联起来：感染早期，PVC微塑料提高UPEC进入膀胱上皮细胞及在膀胱、肾脏中的定植；颗粒被宿主细胞内化后，则转而触发线粒体损伤与炎症性焦亡，促使受感染的浅表上皮细胞脱落，并使病原体更容易进入深层组织、形成持续慢性感染。
小结
本研究证明，PVC微塑料并非感染过程中的被动污染物，而可同时作用于病原体和宿主细胞，形成“促进入+促组织损伤”的双重致病效应。其一，PVC微塑料借助UPEC 的I型菌毛吸附细菌，并经网格蛋白介导的内吞促进细菌侵袭；其二，颗粒进入上皮细胞后引发线粒体损伤，进而激活NLRP3-Caspase-1-GSDMD焦亡通路，促进上皮脱落和慢性感染。
值得说明的是，目前从人体组织微塑料负荷推断局部膀胱/导管来源PVC微塑料暴露仍具有间接性，未来需要直接量化尿管释放到尿液中的微塑料及其与UPEC的剂量-反应关系；此外，NLRP3的关键作用当前主要基于药理学抑制和生化证据，仍需遗传学干预进一步验证因果性。
主要作者介绍
第一作者：王志云 副教授，硕士生导师，天津大学环境科学与工程学院。主要研究方向为：环境生物修复、环境中病原微生物传播与宿主互作机制、新型微生物快速检测技术等。先后承担国家重点研发计划纳米科技专项、国家重点基础研究发展计划、“十二五”国家科技支撑计划、国家自然科学基金面上项目等多项科研项目。在Nature Communications，Cell Reports，Plos Pathogen，Science Bulletin，The Journal of Biological Chemistry，Current Opinion in Chemical Biology，Journal of Virology等国际期刊发表多篇论文。
第一作者：陈梓薇 硕士研究生，天津大学环境科学与工程学院。在Nature Communications，Cell Reports，Journal of Hazardous Materials等期刊发表论文7篇。主要研究方向是人体环境中微纳米塑料与病原微生物的相互作用。
通讯作者：李雪平 助理研究员，天津大学生命科学学院。主要研究方向为病原菌致病机理及其与宿主互作机制的研究。以第一作者或通讯作者身份在Nature Communications、 Cell Reports等国际高水平期刊发表学术论文多篇。先后主持国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上项目，获得国家资助博士后研究人员计划C档资助、中国博士后科学基金会与天津市联合特别资助。担任Nature Communications、Cell Reports等权威期刊同行审稿人。
通讯作者：王涛 教授，博士生导师，天津大学生命科学学院。天津市引进人才合成生物技术全国重点实验室PI。主要研究方向为病毒免疫学、病原微生物检测技术、微生物合成生物学以及生物安全。先后主持科技委“ 科技创新特区” 重点项目、国家重点研发计划课题 2 项，国家自然科学基金面上项目 3 项。以通讯作者（含共通）在 Nature Communications、Cell Reports、Science Bulletin、Plos Pathogen、eLife、JVI 等 SCI 发表研究论文50余篇, 授权专利10项。
通讯作者：刘宪华 教授，博士生导师，天津大学环境科学与工程学院，环境生物化学团队负责人。主要研究方向为环境微生物与环境生物技术、环境能源与传感、生态环境与资源保护，以及新兴污染物（如微塑料）的防控、监测与风险评价等。担任《Frontiers in Microbiology》等多个国际期刊副主编或编委，以第一作者或通讯作者在Nature Communications、Advanced Science、Water Research等学术期刊发表论文160余篇，承担国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金面上项目、天津市自然科学重点基金等科研项目30余项。获国家发明专利授权20余项，参编5项国家、行业及地方标准。
参考文献：
Zhiyun Wang, Ziwei Chen, Sheng Wang, Luna Cui, Minghao Tang, Xianhua Liu*, Tao Wang* & Xueping Li*. PVC microplastics facilitate uropathogenic Escherichia coli pathogenicity by enhancing host cell invasion and mitochondrial-dependent pyroptosis. Nature Communications,2026, 17, 7592.
文章链接： https:// www.nature.com/articles/s41467-026-74453-7
（来源：刘宪华教授团队 编辑：陈佳乐）
