纳米二氧化钛长期经口暴露对大鼠肠道微生物的影响研究

Titanium dioxide (TiO2) is a commonly used food additive. With the rapid development of nanotechnology in the food industry, the application of TiO2 nanoparticles (NPs) in food is increasing exponentially. Through preliminary studies on the oral toxicity of TiO2 NPs, it is concluded that after low-dose long-term oral exposure, TiO2 NPs that absorbed in the gastrointestinal tract is very small, mainly discharged through the feces. But it can still induce cardiovascular system toxicity and glucose absorption and metabolic disorders and other effects in rats. As TiO2 NPs have certain antibacterial activity, the smaller TiO2 NPs, the stronger antibacterial activity, we speculated that oral exposure of TiO2 NPs may have an important impact on the body's gut microbiota, and then induced the body damage. We will use high-throughput methods to study the effects of long-term oral intake of TiO2 NPs on the balance of gut microbiota in rats. And through detecting the key metabolic factors in blood, we will analyze the relationship between the imbalance of gut microbiota induced by TiO2 NPs and the systemic health effect of the body. After screening out several important human intestinal micro-organisms, the possible mechanisms of the effects of TiO2 NPs on the gut microbiota would be explored in vitro. This study is helpful to provide new ideas for the safety evaluation and risk control of nanomaterials in food industry.

二氧化钛（TiO2）是一种常见食品添加剂，随着纳米技术在食品领域的发展，纳米TiO2在食品中的应用呈指数增长。前期研究显示，低剂量长期经口暴露后，纳米TiO2的消化道吸收率很低，主要通过粪便排出，但其依然可以诱导大鼠心血管系统毒性和葡萄糖吸收代谢紊乱等效应。由于纳米TiO2具有一定的抑菌性，粒径越小抑菌性越强，因此我们推测纳米TiO2消化道暴露后可能会对机体肠道微生物平衡产生重要影响，继而诱发机体损伤。我们拟通过高通量测序技术来研究纳米TiO2低剂量长期经口暴露后对大鼠肠道微生物平衡的影响。并通过血液中关键代谢因子检测，分析纳米TiO2诱导的肠道微生物稳态失衡与机体全身健康效应的关系。同时，筛选出几种重要的人体肠道微生物，在体外试验中深入探讨纳米TiO2与肠道微生物作用的可能机制。通过研究纳米TiO2对肠道微生物的影响，有助于为纳米材料应用于食品添加剂的安全性评价和风险控制提供新的思路。

随着纳米二氧化钛（TiO2）在食品中的应用不断增加，其经口摄入后对消费者健康的影响越来越受到关注。前期研究显示，纳米TiO2低剂量长期经口摄入后在消化道的吸收率很低，主要通过粪便排出，因此其主要直接作用部位局限于消化道。由于纳米TiO2具有一定的抑菌性，我们提出科学假说，纳米TiO2经口摄入后可能会影响机体肠道微生物平衡，继而间接诱发机体负面健康效应。通过模拟人群暴露剂量，对SD大鼠每日重复灌胃染毒纳米TiO2（0、2、10和50 mg/kg体重），持续90天，分别在第7、14、28天和90天采集大鼠粪便，通过16S rDNA测序技术分析大鼠肠道菌群组成和结构的变化。同时通过检测粪便和血清中脂多糖（LPS）和短链脂肪酸（SCFAs）的含量，分析纳米TiO2对肠道菌群关键代谢物的影响，以及关键代谢物在纳米TiO2诱导的肝脏毒性中的重要作用。结果发现纳米TiO2经口摄入后大鼠肠道菌群在门、纲、目、科、属、种水平上的组成和结构产生了变化。与对照组相比，纳米TiO2染毒组大鼠肠道菌群的α多样性和β多样性在28天前均无显著变化，但在90天时显著增加。LefSe分析显示，染毒7天时染毒组与对照组之间无差异表达菌株，但染毒14、28和90天时分别出现3、2和2株差异表达菌株（LDA评分>4）。所有差异菌株均属于厚壁菌（Firmicutes）门，同时乳酸杆菌（Lactobacillus）为纳米TiO2在染毒14、28和90天时均产生影响的差异菌株。同时，本研究还发现纳米TiO2经口染毒90天可以导致大鼠肠道黏膜损伤；粪便和血清中LPS含量均显著增加；机体氧化应激和炎症反应水平增加；以血生化指标改变，肝细胞脂肪样变性和线粒体空泡样变化为主要表现的肝脏毒性。因此，本研究揭示了纳米TiO2长期低剂量经口摄入可以诱导肠道损伤和以乳酸杆菌为代表的肠道菌群紊乱，导致肠道菌群代谢物大量进入循环系统，引起机体氧化应激和炎症反应，进而间接导致以肝脏毒性为代表的机体负面健康效应。本研究为评价纳米TiO2应用于食品添加剂的安全性提供了动物实验数据，并为探索其潜在毒性机制提供了新的思路。