食品级纳米二氧化钛所致肠道菌群失调诱发肝脏损伤的作用机制研究

With the wide application of nanotechnology, the safety problem of nano-materials in foods becomes the focus of attention at home and abroad. On the base of our previous findings and the domestic and foreign researches, we proposed the intestinal microflora as a toxic target. An animal model in long-term and low-dose repeated administration were constructed. Sequencing technology and other modern molecular biology techniques were used to study the change of intestinal microflora, the toxic effect of liver and the relationship between the two and the possible mechanism after oral exposure to food-grade nano-titanium dioxide. The study will provide a health risks report about the application of nano-titanium dioxide in foods, also provide new ideas and references for oral toxicity study of nanomaterials.

随着纳米技术的广泛应用，食品中纳米材料的安全性问题成为国内外关注的热点。在前期研究结果的基础上并结合大量相关文献，我们提出以肠道菌群作为毒性靶标，通过建立体内长期低剂量重复给药动物模型，利用Illumina高通量测序技术、Western blot、RT-PCR等现代分子生物学技术，重点研究纳米二氧化钛①对机体肠道菌群结构和数量的影响；②对肠道粘膜屏障及肠道免疫的作用；③对肝脏的毒性效应及与肠道菌群变化关联的毒性作用机制。该研究将阐明纳米二氧化钛口服暴露对机体肠道菌群的影响与肝脏毒性，并探讨两者之间的关联性及可能的作用机制。本课题的完成将为纳米材料在食品领域应用的健康风险提供安全性评估报告，为补充和完善纳米材料口服毒性研究提供新的思路和有价值的毒理学资料，同时也为今后纳米材料在食品领域更为合理地应用、管理和控制提供科学依据和参考。

随着纳米技术的广泛应用，食品中纳米二氧化钛（TiO2）的安全性问题仍然是目前国内外关注的热点之一。本项目研究了食品级纳米TiO2对小鼠肠道菌群的影响和对肠道粘膜屏障、肠道免疫的作用，以及通过肠道菌群失调诱发肝脏损伤的毒性作用机制。研究结果表明，食品级TiO2口服暴露能够引起小鼠全身炎性反应，导致肠道免疫相关细胞因子如IgA、IL-22、IL-17A、Reg3γ、IL-10、TGF-β、IFN-γ、Foxp3等表达异常，并可通过降低小鼠肠道黏液厚度、增加肠道粘膜通透性以及破坏肠粘膜完整性，引起肠道粘膜屏障功能障碍。与微米尺度TiO2相比，纳米TiO2暴露对小鼠肠道免疫屏障功能的影响更为显著。肠粘膜屏障相关蛋白表达结果显示，纳米TiO2可通过激活上游Src蛋白导致小鼠肠上皮细胞紧密连接的破坏和粘膜屏障功能障碍，同时影响肠道TH17/Treg细胞免疫平衡内稳态，激活PKC-TLR4-NF-kB信号通路，引起小鼠肠道局部免疫应答。菌群测序结果表明，食品级TiO2口服暴露28天后小鼠肠道菌群发生显著变化，与空白对照组相比，小鼠肠道菌群Verrucomicrobia门、Bacteroidetes门水平显著降低，Firmicutes门水平显著升高；Barnesiella菌属、Bacteroides 菌属及Akkermansia菌属等肠道有益菌丰度显著降低。宏代谢组学检测结果显示，食品级TiO2导致小鼠肠道菌群-宿主共代谢产物、以及脂肪酸的生物合成、乙醛酸和二羧酸代谢通路的显著变化；同时，小鼠粪便和血液中的菌群代谢产物细菌内毒素水平显著升高，这些结果提示食品级纳米TiO2口服暴露所导致的生物毒性可能与肠道中细菌代谢产物的变化密切相关。食品级纳米TiO2口服暴露能够诱发肝脏功能、病理损伤及肝脏炎性细胞因子表达升高。ICP-MS检测结果显示食品级TiO2口服暴露后Ti元素在小鼠肝脏中的分布无显著性差异；进而通过菌群移植实验，将食品级TiO2口服暴露28天的小鼠新鲜粪便制备成菌液移植给健康小鼠，结果显示健康小鼠出现肝脏病理损伤，表明食品级TiO2能够通过肠道菌群途径诱发肝脏毒性；肝脏相关蛋白检测结果显示，食品级TiO2可通过TLR4-MyD88信号通路影响肝脏功能。本项目的研究结果为纳米材料在食品领域应用的健康风险提供毒理学资料和科学参考。