Deleterious effect of various microplastics to the function of macrophage in innate immune response

Abstract

Plastic, a synthetic material valued for its durability and cost-effectiveness, plays an essential role in modern life. However, the environmental accumulation of microplastics raises significant concerns due to their potential uptake by organisms. Prior research has revealed the harmful effects of microplastics on various cell types, though these studies often used a single type of microplastics with uniform size and shape, which may not accurately represent those found in natural environments. However, this study focused on the distinct effects of three different microplastics -PET, ABS, and PP- of various sizes and shapes on the function of the innate immune system, specifically macrophages. It was verified that PET and ABS could induce bone marrow-derived macrophage (BMDM) recognition and phagocytosis as foreign substances, while PP did not directly interact with macrophages due to its hydrophobicity. Exposure to PET and ABS resulted in a significant decrease in the cell viability of BMDMs. Moreover, after recognition and phagocytosis, PET and ABS induced M1 macrophage polarization in a concentration-dependent manner and increased the secretion levels of pro-inflammatory cytokines. Furthermore, two-photon intravital imaging in mice demonstrated that microplastics accumulate in the intestine upon ingestion. Transmission electron microscopy (TEM) images revealed changes in mitochondrial morphology, characterized by a round shape and less dense cristae. These findings suggest that microplastics can accumulate in mouse intestines and may cause deleterious effects on the innate immune system, particularly macrophage function, as demonstrated by in vitro experiments.

현대사회에서 단단하고 가소성이 높은 플라스틱은 유용한 재료로 널리 사용되고 있다. 플라스틱은 사용되어진 이후 바다나 자연 생태계에 버려지게 되고 이는 UV나 파도 등과 같은 자연 요인 때문에 크기가 작은 미세플라스틱으로 변하게 된다. 생태계에 축적된 미세플라스틱이 먹이 사슬을 통해 체내로 유입될 가능성이 선행연구에 의해 밝혀진 바에 있다. 이에 미세플라스틱이 호흡기나 소화기를 통해 체내로 유입되었을 때에, 선천 면역 그 중에서도 가장 먼저 외부 물질을 인지하는 역할을 수행하는 대식세포의 기능에 미칠 영향에 대해 조사하고자 하였다. 이를 위해 자연 생태계에 존재하는 미세플라스틱과 유사한 모양과 크기를 가지는 세 개의 다른 미세 플라스틱: PET, ABS 그리고 PP가 대식세포에 노출되었을 때 일어날 수 있는 기능교란에 대해 조사하고자 하였다. 미세플라스틱 세가지 종류 중 PET와 ABS가 대식세포에 노출되었을 때, 세포 독성을 가지며 대식세포가 미세플라스틱을 항원과 같이 인지하고 이후 대식 작용이 일어남을 확인하였다. 또한, 대식 작용이 일어난 이후 대식세포가 염증 반응에 관여하는 M1 대식 세포로의 분화가 일어남과 M1 대식 세포로의 분화가 일어난 이후 염증 관련 사이토카인의 발현도 증가함을 확인하였다. 이후, 마우스 소장 내에 마이크로 플라스틱의 존재를 확인하였으며, 미토콘드리아의 모양에도 이상이 생김을 확인하였다. 이러한 결과는 미세플라스틱이 체내에 유입될 경우, 대식 세포가 이를 인지하고 불필요한 염증 반응이 유발되는, 즉 선천 면역 기능에 교란이 발생할 수 있음을 시사한다.