基于金属氧化物食品添加剂尺寸效应的细胞膜受扰渗漏机理

Metallic oxide are used as food additives to serve as coloring, antibacterial and nutrition fortifier. People all over the world are presently questioning about their potential hazard. The toxic effects of the particles are usually attributed to three mechanisms: chemical toxicities of released metal ions, DNA damage, and photocatalytic oxidation. We propose that the effect of the particle size of metallic oxide food additives might be another cause of cell membrane leaking. We consider that, surface energy of metallic oxide food additives will greatly increase with the decrease of the particle size. It may disturb the cell membrane, change its permeability and thus kill the cell by the leakage of substances in and out of the cell. In this project, we will focus on the two widely used food additives: titanium dioxide and zinc oxide, and study the interactions between the particles and model cell membrane(giant unilamellar phospholipid vesicle) or real cell membrane(gastric and intestinal epithelial cells) by confocal laser scanning microscope. Computer simulations(dissipative particle dynamic & Coarse-grained molecular Dynamics) will also be introduced to explore molecular mechanism of interactions between biomembranes and materials with different sizes, which is also influenced by the surface charge of the particles and lipid composition and phase state of the membranes. Safety of these food additives will be evaluated depending on permeability change of the membrane, and this research will provide a theoretical basis for the designing and safety standard of Metallic oxide food additives.

金属氧化物作为一类食品添加剂，通常用作着色剂、抗菌剂和营养强化剂。目前，国内外对其潜在危害提出质疑，相关毒性机理解释包括金属离子溶出机理、DNA损伤机理以及光催化氧化机理。我们在前期工作基础上，提出了一种基于金属氧化物颗粒尺寸效应的细胞膜受扰渗漏机理：即随着颗粒尺寸减小，其表面能增大，因此能够通过干扰细胞膜的曲率和有序度改变其渗透性，引起细胞膜内外物质渗漏从而杀死细胞。本项目以二氧化钛和氧化锌为研究对象，通过共聚焦荧光显微技术，观测其与模型细胞膜体系（巨型单层磷脂囊泡）和真实细胞膜体系（胃壁和肠道上皮细胞）的相互作用情况，并结合耗散粒子动力学、粗粒化分子动力学两种计算机模拟方法，探讨不同尺寸金属氧化物颗粒在与细胞膜相互作用过程中，其表面电性及细胞膜的磷脂组成和相态对两者相互作用的影响，以及细胞膜渗透性的改变情况。本研究为金属氧化物食品添加剂的设计及安全标准制定提供科学基础和理论依据。

无机氧化物颗粒作为一类重要的食品添加剂，主要用于作为吸附干燥剂、食品抗菌包装、提高食品感官特性以及补充营养元素等方面。目前国内外对其潜在的安全问题提出质疑，相关毒性机理解释包括金属离子溶出机理、DNA损伤机理以及光催化氧化。我们在前期工作基础上，提出了基于氧化物颗粒尺寸效应的细胞膜受扰渗漏机理：即随着颗粒尺寸减小，其表面能增大，因此能够通过干扰细胞膜的曲率和有序度改变其渗透性，引起细胞膜内外物质渗漏从而杀死细胞。本项目以二氧化钛、氧化锌、二氧化硅为研究对象，首先以人工磷脂巨型单层囊泡为模型细胞膜体系，研究其与不同尺寸氧化物颗粒间的相互作用，探讨颗粒尺寸效应同生物膜受扰之间的联系，并进一步改变囊泡的带电性质，探讨电荷效应在两者相互作用中起到的作用；同时通过计算机模拟的方法，以粗粒化模型在Dry Martini力场下探究不同尺寸颗粒对磷脂膜造成的影响；最后，以人结肠腺癌细胞Caco-2为真实细胞体系，探讨尺寸效应对颗粒的细胞毒性的影响。结果表明，二氧化钛及二氧化硅表现出相似的尺寸效应影响，即小尺寸颗粒更易使囊泡发生受扰渗漏，概率高、时间短，而氧化锌颗粒由于其本身尺寸和形貌不均一并未表现出明显的尺寸效应，并且囊泡的带电情况对颗粒与膜的相互作用有较大影响，两者间的静电排斥或吸引作用可减弱或加强二者间相互作用。计算机模拟的结果与囊泡实验的结果保持一致，小尺寸的颗粒对磷脂膜扰动更强、穿膜时间更快，进一步揭示了尺寸效应对两者相互作用的影响。细胞实验的结果同样与囊泡实验的结果保持一致，即在一定浓度下，尺寸更小的二氧化钛和二氧化硅颗粒更容易造成细胞活力的下降；不同尺寸的氧化锌颗粒由于尺寸形貌的不均一而没有显著差异，但是通过将不同浓度的锌离子溶液与细胞共同培养的结果相对比，表明颗粒对膜造成的破坏是其细胞毒性的重要因素之一。本研究为氧化物食品添加剂的设计及安全标准制定提供了科学基础和理论依据。