Investigation on various microplastics' effects on immune cell hypofunction and colitis symptom

Abstract

Global pollution caused by microplastics (MPs) and the accumulation of these pollutants in the bodies of organisms have become widely known. MPs are made up of diverse types of materials. The surface and physiological characteristics of various MP may lead to differed contact and response of cells. MP is reported to penetrate into tissue and cause destruction of cell metabolism and promote inflammation. But the effect of MP when contacting with first line immune cells, especially phagocytes, is yet to be investigated in detail. This study aims to inspect the effect of various MPs when contacting with innate immune cells. And verify if MP can enter the tissue of the digestive system and aggravate intestinal inflammation. I have identified the effect of 3 different kinds of plastics (polyethylene terephthalate (PET), acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polypropylene (PP)) on mouse neutrophils. The interaction of neutrophils with MP was identified by live cell imaging. Then the cells were incuabted with MP and tested for decrease in cell viability and increase in necrosis and ROS expression. Proinflammatory gene expression was also evaluated by real-time PCR. Also, to find out if MP can interact with adaptive immune cells aswell, I have conducted live cell imaging using T cells. Finally, to observe whether MP can exacerbate the symptoms of inflammatory diseases, I have investigated the phenotype changes of a murine colitis model exposed to MP. The small intestine and colon were intravitally imaged using a two-photon microscope to verify the existance of MP in intestinal tissue and their interaction with intestinal immune cells. The results revealed that various types of MP have dissimilar degrees of toxicity to neutrophils. Cell viability decreased while necrosis increased depending on the concentration and type of MP. Cellular ROS levels and cetrain proinflammatory cytokines were also increased by MP. T cells that were incubated with MP on the migratory surface showed lowered speed and linearity of migration. Furthermore, mice that ingested MP while being induced with colitis showed sharper weight loss and shorter colon length. Two-photon intravital imaging showed MP in live intestinal tissue, and some particles colocalizing with resident macropahges. These results collectively show that MP can act as an external material that induces the death of neutrophils, and possibly promote proinflammatory responses. MP can additionally interfere with the migration of immune cells, which altogether may lead to degeneration of inflammatory conditions. Moreover, MP particles in live intestinal tissues were observed by two-photon intravital imaging, giving strong evidence that MP can reach and penetrate into intestinal tissue. This study demonstrates the possible early stage responses of immune cells when contacting with MP, and provides strong evidence of MP entering the intestine and effecting the progression of inflammatory diseases.

미세플라스틱(MP)에 의한 전 지구적인 환경 오염이 심각하고, 다양한 생물의 몸 속에 미세플라스틱이 축적된다는 사실은 널리 알려져 있다. MP는 다양한 재질의 플라스틱이 혼합되어 있고, 각 재질의 표면적 그리고 물리적인 특성은 세포와 접촉했을 때 각각 다른 반응을 유도할 수 있다. MP는 생체 조직에 침투하고 세포 대사에 문제를 일으키며 염증 반응을 촉진하는 것으로 밝혀졌다. 하지만 MP가 가장 첫 번째 면역 관문인 내제 면역 세포들, 그 중에서도 대식 작용을 하는 세포들과 접촉을 했을 때 미치는 영향은 지금까지 자세히 연구되지 않았다. 따라서 이 연구는 다양한 재질의 미세플라스틱이 내제 면역 세포와 접촉했을 때의 영향을 밝히고자 한다. 또한 미세플라스틱이 소화 기관을 통해 체내에 들어왔을 때, 조직에 침투하여 장의 염증을 악화시킬 수 있는지 보고자 한다. 마우스 호중구에 대한 다양한 미세플라스틱의 영향을 확인하기 위해 polyethylene terephthalate (PET), acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polypropylene (PP) 플라스틱을 사용하였다. 호중구와 MP의 상호작용은 세포의 생체 외 이미징으로 확인하였다. 이어서 세가지 MP와 각각 인큐베이션 한 세포의 생존율, 세포 괴사, ROS 생성, 그리고 염증성 유전자의 발현 증가 여부 또한 확인하였다. 내제 면역 세포를 대상으로 한 실험에 이어, MP가 적응 면역 세포와도 상호작용하는지 보고자 T 세포의 생체 외 이미징을 진행하였다. 또한, MP에 노출되었을 때 장의 염증이 심화하는지 확인하기 위해 마우스 대장염 모델을 사용하였으며, 장 조직의 생체 이미징을 통해 MP가 실제로 조직에 존재하는지 관찰하였다. 적응 면역 세포를 이용한 실험과 대장염 모델을 이용한 실험에서는 형광이 있는 PS 미세플라스틱을 사용하였다. 본 연구를 통하여 MP의 종류에 따라 호중구에서 나타나는 세포 사멸과 염증 반응의 정도가 다름을 확인하였다. 또한, MP가 내제 면역 세포뿐만 아니라 T 세포와 같은 적응 면역 세포와도 상호 작용한다는 것을 볼 수 있었으며, MP를 섭취했을 시 대장염 증상이 악화됨을 확인하였다. 대장 생체 이미징을 통해 MP가 실제로 장 조직 내에 존재한다는 것 또한 입증하였다. 이 결과들은 MP가 호중구의 세포 괴사와 염증성 반응을 유도할 수 있는 외부 물질로 작용할 수 있음을 시사한다. 그리고 섭식에 의해 체내에 들어온 MP가 실제로 장 조직에 침투하며, 이로 인해 염증 증상이 악화될 수 있다는 것을 확인하였다. 이로써 본 연구는 MP가 내제 면역계와 접촉했을 때 일어날 수 있는 초기 반응들을 보여주며, MP가 장 조직 내에 침투하여 염증 증상을 심화할 수 있다는 증거를 제시한다. 이러한 발견은 MP에 의해 염증이 악화되는 메커니즘을 밝혀내기 위한 후속 연구들에게 단서와 방향을 제시할 수 있다.