Oropharyngeal administration of polystyrene microplastics induces profibrotic and oxidative changes in murine lung tissue

Abstract

Aim: This study investigated the early pulmonary effects of intratracheally admin-istered polystyrene microplastics (PS-MPs) in mice. Recognizing the emerging health concern of atmospheric microplastic inhalation, the research focused on identifying fibrotic remodeling markers, assessing immune cell activity, and ana-lyzing oxidative stress-related molecular signaling to clarify the pathophysiological consequences and provide mechanistic insights into the initial stages of pulmo-nary fibrosis development.Materials and Methods: A controlled experimental design was used involving healthy BALB/c mice that were oropharyngeally exposed to 1.5 μm polystyrene microplastic particles or a saline control over 21 days. Following exposure, lung tissue samples were collected for comprehensive analysis. The key methodolo-gies included determining the hydroxyproline content, detailed histopathological examinations to observe tissue changes, and immunohistochemistry for Nrf2 and STAT1 expression. Macrophage infiltration and active phagocytosis of microplas-tic particles within the lung tissue were also evaluated. All data underwent appro-priate statistical analysis.Results: Despite the short exposure period, hydroxyproline levels and macro-scopic fibrosis scores showed no statistically significant differences between thegroups. However, the PS-MP-treated mice exhibited significant alveolar macro-phage infiltration and robust intra-alveolar particle phagocytosis, indicating an ac-tive cellular response. A mild increase in Nrf2 expression suggested early antioxi-dant activation. In contrast, STAT1 expression was notably decreased in the PS-MP group, strongly suggesting immune dysregulation and increased susceptibility to pro-fibrotic remodeling processes within the pulmonary system.Conclusions: This study demonstrates that even short-term intratracheal PS-MP exposure induces early molecular and immunological changes in lung tissue. Characterized by STAT1 downregulation, mild Nrf2 upregulation, and significant activation of particle phagocytosis by macrophages, these changes collectively indicate a shift toward pro-fibrotic conditions, even in the absence of substantial collagen accumulation during this acute phase. These findings highlight the poten-tial health risks associated with airborne microplastic exposure and emphasize the urgent need for further long-term research to fully understand their chronic effects on the lungs and develop comprehensive mitigation strategies for safeguarding respiratory health.Мета: Це дослідження мало на меті вивчити ранні реакції з боку легень на орофарингеально введені полістиро-лові мікрочастинки (ПС-МЧ) у мишей. Враховуючи зростаючу проблему вдихання атмосферних пластикових мік-рочастинок та пов'язані з цим ризики для здоров'я, дослідження було зосереджене на ідентифікації маркерів фіб-розного ремоделювання, оцінці активності імунних клітин та аналізі молекулярної сигналізації, пов'язаної з окис-ним стресом. Головною метою було з'ясувати патофізіологічні наслідки впливу полістиролових мікрочастинок, що переносяться повітрям, та надати дані щодо початкових стадій розвитку легеневого фіброзу. Проблеми екології та медицини. Том 29, No 2,2025 / The Medical and Ecological Problems. Volume 29, No2,202544Матеріали та методи: Було застосовано контрольоване експериментальне дослідження із використанням здо-рових мишей BALB/c, яким орофарингеально вводили полістиролові мікрочастинки розміром 1,5 мкм або фізіоло-гічний розчин протягом 21 дня. Після експозиції тканини легень були зібрані для комплексного аналізу. Основні методики включали визначення вмісту гідроксипроліну, детальне гістопатологічне дослідження для оцінки змін тканин, а також імуногістохімію для кількісної оцінки експресії ключових молекулярних маркерів Nrf2 та STAT1. Також було ретельно оцінено ступінь інфільтрації макрофагами та їхню активну фагоцитарну здатність щодо час-тинок мікропластику у тканинах легень. Усі дані пройшли відповідний статистичний аналіз.Результати: Незважаючи на короткий період експозиції, початкові результати показали, що рівні гідроксипроліну та макроскопічні показники фіброзу не мали статистично значущих відмінностей між групами. Однак у мишей, що отримували ПС-МЧ, спостерігалася виражена інфільтрація альвеолярних макрофагів та інтенсивний інтраальве-олярний фагоцитоз частинок, що свідчить про активну клітинну реакцію на частинки мікропластику. Було виявле-но незначне збільшення експресії Nrf2, що вказує на ранню активацію антиоксидантного захисту легень. Нато-мість експресія STAT1 була помітно знижена в групі ПС-МП, що переконливо свідчить про потенційну імунну дис-регуляцію та підвищену схильність до профіброзних процесів ремоделювання в тканинах легень.Висновки: Це дослідження демонструє, що навіть короткочасний інтратрахеальний вплив ПС-МП може спричинити ранні молекулярні та імунологічні зміни в легеневій тканині. Ці зміни, що характеризуються зниженням STAT1, помі-рним підвищенням Nrf2 та значною активацією макрофагів і фагоцитозом частинок, спільно вказують на зсув у бік профіброзних станів, навіть за відсутності значного накопичення колагену на цій гострій фазі. Отримані результати підкреслюють потенційні ризики для здоров'я, пов'язані з мікрочастинками пластику, що переносяться повітрям, і на-голошують на нагальній потребі в подальших, довгострокових дослідженнях для повного розуміння їх хронічного впливу на легені та розробки ефективних стратегій для збереження респіраторного здоров'я.