食源性納米二氧化鈦對生物體腸道功能及糖脂代謝的影響

劉靜怡，鐘 亮，袁甜甜，孫敬春，楊公社，于太永

（西北農(nóng)林科技大學(xué)動物科技學(xué)院 陜西楊凌 712100）

隨著科技的發(fā)展，納米材料因結(jié)構(gòu)多樣性及與普通材料迥異的物理性質(zhì)而被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，其研究熱度也逐年上升。在食品生產(chǎn)中利用納米技術(shù)研制食品添加劑和食品包裝，可大大改善食品的質(zhì)地、顏色以及口感[1-2]。與此同時，納米材料通過飲食進(jìn)入生物體的幾率增加，其攝入后對機(jī)體腸道及糖脂代謝的影響亟待重視。

二氧化鈦（Titanium dioxide，TiO2）俗稱鈦白粉，呈粉末狀，粒徑均勻，分散性好。按照它的晶型可分為金紅石型、銳鈦型和板鈦礦型[3]3 種類型。自然界中常見的為金紅石型、銳鈦型2 種晶型，兩者在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化[4-5]。由于其極佳的不透明性、白度與光亮度，被認(rèn)為是現(xiàn)今世界上最好的白色顏料。在食品領(lǐng)域，其被作為白色素添加到食品中，以改善食品色澤。日常生活中TiO2往往被添加到巧克力中增加其質(zhì)感[6-7]或用在奶油蛋糕、奶粉、糖果、口香糖、碳酸飲料等食品中，使各類食品色澤更明亮誘人[8-12]。美國食品及藥品監(jiān)督管理局（FDA）與歐洲食品安全局（EFSA）早已出具相關(guān)文件允許TiO2的商品化使用[13]，其規(guī)定食品中TiO2的用量不可超過產(chǎn)品總質(zhì)量的1%[14]。我國 《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑使用衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 2760-2014）也有明文規(guī)定，TiO2可作為著色劑添加到食品中，并規(guī)定在各種食品中的最大使用量（10 g/kg），目前已有超過900 種食品中含有TiO2[15]。

TiO2因化學(xué)惰性和不溶性而一直被認(rèn)為是安全的[16-17]，然而由于TiO2存在一部分的TiO2納米級顆粒，其攝入后對機(jī)體造成的安全問題備受研究者們關(guān)注。TiO2由微米級顆粒（MPs）和納米級顆粒（NPs）混合組成，與微米級相比，納米級TiO2具有更大的比表面積與細(xì)胞相互作用，從而影響細(xì)胞分泌、代謝過程和功能[18]。對世界各地不同制造商生產(chǎn)的TiO2樣品的分析發(fā)現(xiàn)，其平均粒徑在106～132 nm 之間，其中36%以上的粒子直徑小于100 nm[19]。有研究表明這些直徑小于100 nm 的TiO2NPs 通過不同途徑進(jìn)入生物體后，經(jīng)血液循環(huán)沉積在肝臟、腎臟、腦、脾臟、生殖器官等臟器內(nèi)[20]（如圖1 所示），對其造成一定的損傷?；诖耍疚目偨Y(jié)TiO2NPs 攝入后對機(jī)體腸道功能、糖脂代謝的影響，這對由食源性TiO2NPs 引起的糖脂代謝紊亂等代謝疾病的治療具有重要意義。

1 TiO2 NPs 對腸道的影響

1.1 對腸道結(jié)構(gòu)的損傷

消化道作為機(jī)體攝取營養(yǎng)物質(zhì)的重要部位，其結(jié)構(gòu)的完整性決定了營養(yǎng)物質(zhì)能否正常攝入、消化和吸收。食品添加劑TiO2的廣泛使用大大提高了人們攝入TiO2NPs 的幾率，胃腸道（GIT）吸收成為TiO2NPs 進(jìn)入生物體的重要途徑[21-22]。2017 年初，法國圖盧茲大學(xué)研究人員按照10 mg/kg 的標(biāo)準(zhǔn)（人類日常TiO2攝入量）給小鼠喂食TiO2，首次發(fā)現(xiàn)TiO2可透過腸道屏障進(jìn)入血液循環(huán)并廣泛分布于體內(nèi)各組織器官，尤以腸、肝臟中沉積最多[23]。小腸作為機(jī)體的主要營養(yǎng)吸收器官，其典型的絨毛狀結(jié)構(gòu)可使腸道表面積擴(kuò)大，益于各類營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，同時小腸絨毛的結(jié)構(gòu)完整是決定營養(yǎng)物質(zhì)吸收效率的關(guān)鍵因素[24]。研究表明，TiO2NPs 攝入后將使腸上皮緊密連接蛋白Occludin 和ZO-1 表達(dá)水平降低，顯著降低腸道的屏障功能，破壞屏障完整性[25]；此外，機(jī)體攝入TiO2NPs 后也將伴隨微絨毛數(shù)量減少、長度變短，腸道細(xì)胞刷狀緣受損等危害[26-28]，而這種損傷與TiO2NPs 的物理沉降無關(guān)[29]。隨著消化過程的進(jìn)行，未被小腸完全吸收的TiO2NPs 將隨食糜進(jìn)入大腸，改變大腸內(nèi)腸道微生物群組成，影響結(jié)腸上皮功能，導(dǎo)致結(jié)腸上皮損傷，引起機(jī)體結(jié)腸的病理性炎癥浸潤和線粒體異常，引起炎癥的發(fā)生[30]。

1.2 對營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收功能的影響

飲食攝入TiO2NPs 會對腸道結(jié)構(gòu)造成一定程度的損傷，具體表現(xiàn)為：腸上皮細(xì)胞中吸收性微絨毛變短且稀疏，腸道可吸收營養(yǎng)物質(zhì)的表面積減少，這使得葡萄糖[26]、氨基酸[27]、礦物元素（鐵、鋅）[28]、脂肪酸[28]等必需營養(yǎng)物質(zhì)物質(zhì)在腸上皮的轉(zhuǎn)運(yùn)受阻，導(dǎo)致其生物利用率下降；與此同時，不同營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)蛋白基因表達(dá)量也發(fā)生了改變[26-28]，上述研究結(jié)果表明TiO2NPs 可通過影響腸道絨毛細(xì)胞營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制從而影響腸道正常營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。除了破壞腸道結(jié)構(gòu)間接影響營養(yǎng)物質(zhì)的吸收外，體外消化模擬試驗發(fā)現(xiàn)，TiO2NPs 可通過吸附α-淀粉酶和二價陽離子抑制淀粉酶活性[31]。此外，也有研究表明，TiO2NPs易吸附于脂質(zhì)小滴的表面或者被脂肪酶所吸附，減少了脂肪酶與脂滴的接觸互作，從而降低了脂質(zhì)的消化吸收[32]。同時，Li 等[33]通過人工胃腸道（GIT）模型模擬發(fā)現(xiàn)，TiO2NPs 可與脂肪酶和鈣離子相互作用，干擾脂質(zhì)的消化，降低脂溶性維生素D3的吸收，且此作用隨著TiO2NPS 的濃度升高而增強(qiáng)，提示對于營養(yǎng)物質(zhì)吸收能力較弱的人群（兒童、老人及患有腸道疾病的人群），更應(yīng)該控制TiO2NPS 的攝入。

1.3 對腸道微生物的影響

腸道屏障功能及腸絨毛結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)決定著腸道功能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，除此之外，腸道菌群的穩(wěn)態(tài)對于維持腸道正常生理功能乃至機(jī)體健康也具有重要意義[34]。腸道菌群的失衡會影響能量吸收代謝，引發(fā)炎癥并改變黏膜屏障，從而導(dǎo)致各種疾病的發(fā)生，如肥胖、糖尿病和炎癥性腸病等[35-36]。小鼠灌胃實驗結(jié)果表明，攝入TiO2NPs 可顯著改變腸道微生物群的組成，如厚壁菌門的豐度增加[37]，雙歧桿菌屬[38-39]、擬桿菌門[39]、乳桿菌屬[37-39]和普氏菌屬[39]的豐度減少，增加了結(jié)腸黏膜中促炎性細(xì)胞因子的豐度[40]。糞便菌群移植（FMT）試驗表明，與PBS-受體組相比，TiO2NPs-受體組的乳酸菌豐度顯著降低，TiO2NPs 誘導(dǎo)了腸道微生物的改變，從而引起結(jié)腸炎癥[41]，同時有益菌豐度的減少加重了DSS 誘導(dǎo)的體內(nèi)慢性結(jié)腸炎和免疫反應(yīng)[42]。Zhao 等[43]發(fā)現(xiàn)斷奶大鼠攝入TiO2NPs 7～14 d 后，糞便中乳桿菌的豐度降低，且結(jié)腸上皮組織出現(xiàn)炎癥性滲透損傷，這種損傷可以通過口服共生鼠李糖乳桿菌（LGG）益生菌補(bǔ)充劑得到緩解。對此，有體外試驗證明，共生鼠李糖乳桿菌可以與體外模擬消化的TiO2NPs 相互作用，阻礙TiO2NPs 與腸上皮細(xì)胞的接觸，從而防止TiO2NPs 引起的嚴(yán)重炎癥損傷[44]。綜上所述，TiO2NPs 攝入減少了有益菌豐度，破壞了腸道菌群穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而引發(fā)結(jié)腸等部位的炎癥發(fā)生；而在補(bǔ)充相應(yīng)的有益腸菌后，炎癥可得到緩解。

2 TiO2 NPs 對糖脂代謝的作用

2.1 對血糖代謝的影響

維持血糖穩(wěn)態(tài)對于維持血糖代謝能力，保持血糖平衡，減少血糖波動起著關(guān)鍵作用，是保證機(jī)體糖代謝正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。有研究表明環(huán)境顆粒物（PM 2.5）與2 型糖尿病的發(fā)病率有極強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，而食品中的納米顆粒同樣存在潛在影響[45-46]。Gao 等[28]在大鼠上的研究結(jié)果表明粒徑越小的納米TiO2顆粒更易透過腸道進(jìn)入血液循環(huán)，并提高血液中的鈦（Ti）水平。Hu 等[47-48]用不同劑量的TiO2NPs 灌胃處理小鼠，結(jié)果表明攝入劑量超過50 mg/kg bw 可顯著增加小鼠肝臟中細(xì)胞色素P450（P450s）的表達(dá)，進(jìn)而誘發(fā)肝臟組織內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，激活絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）和核因子激活的B 細(xì)胞的κ-輕鏈增強(qiáng)（NF-κB）通路從而誘導(dǎo)小鼠產(chǎn)生胰島素抵抗，破壞血糖代謝穩(wěn)態(tài)（如圖2 所示）。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激抑制劑4-苯基丁酸處理會顯著減弱TiO2NPs 所引起的損傷（活性氧ROS 的產(chǎn)生）作用[49]。其它研究同樣表明，2 種抗氧化劑（白藜蘆醇和維生素E）處理小鼠后均可顯著減少因TiO2NPs 所引起的ROS 增加，抑制血糖上升[50]。因此，抗氧化劑對于恢復(fù)因TiO2NPs 所引起的ROS 增加和胰島素抵抗具有重要意義。在細(xì)胞水平上，將TiO2NPs 直接處理小鼠肝癌細(xì)胞（FAO細(xì)胞），會激活應(yīng)激活化蛋白c-Jun 氨基末端激酶（JNK）和p38 絲裂原活化蛋白激酶（p38MAP），并在信號傳導(dǎo)和代謝水平上誘導(dǎo)胰島素抵抗，這說明TiO2NPs 可能會直接干擾胰島素信號傳導(dǎo)，從而損害肝源性細(xì)胞中的胰島素抵抗[51]。綜上，TiO2NPs 誘導(dǎo)的肝臟胰島素抵抗在小鼠血糖紊亂中起核心作用。然而，與上述結(jié)果矛盾的是，有研究指出，TiO2NPs 攝入后對于血糖的影響并不是單一的上升。Chen 等[52]以低于50 mg/kg bw 劑量的TiO2NPs【粒徑（29±9）nm】灌胃處理大鼠30 d 后產(chǎn)生微弱和短暫的降血糖作用，處理90 d 后血糖水平恢復(fù)正常，同時大鼠體質(zhì)量顯著降低，血液甘油三酸酯（TG）含量下降[53]。

圖2 TiO2 NPs 誘導(dǎo)的肝臟內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激在小鼠血漿葡萄糖紊亂中的作用（參考文獻(xiàn)[49]修改后所繪制）Fig.2 Role of TiO2 NPs induced hepatic endoplasmic reticulum stress in plasma glucose disorders in mice（Revised drawing of reference [49]）

此外，對不同年齡段小鼠的處理結(jié)果表明TiO2NPs 對生長發(fā)育階段小鼠血糖代謝紊亂效果相較于成年小鼠更顯著，幼年小鼠更易受到TiO2NPs 的影響[54-55]；在懷孕小鼠上的處理結(jié)果表明TiO2NPs 的攝入可引起乳腺中過度氧化應(yīng)激，從而導(dǎo)致孕鼠血乳屏障功能失調(diào)[56]。同時，也會增加妊娠大鼠的空腹血糖，揭示妊娠期血糖代謝失衡的潛在風(fēng)險[57]。對其子代小鼠的研究表明子代血糖并不會因母鼠妊娠期攝入TiO2NPs 而更敏感，這表明TiO2NPs 對于機(jī)體血糖代謝穩(wěn)態(tài)的影響可能不具備遺傳毒性[58]。綜上所述，攝入TiO2NPs雖會引起機(jī)體血糖代謝紊亂，但對血糖影響的結(jié)果與處理濃度、時間、試驗鼠生理狀態(tài)以及粒徑大小存在一定的相關(guān)性。因此全面、系統(tǒng)地評估不同濃度TiO2NPs 對于不同人群的健康影響同樣具有重要意義。

2.2 對脂代謝的影響

隨著人們生活水平的提高，脂質(zhì)代謝紊亂所引起的諸如肥胖癥、心血管疾病等愈發(fā)普遍。過量攝入高糖高脂飲食會誘發(fā)肥胖癥，其中值得注意的是這些食品中往往含有TiO2NPs，肥胖患者通過飲食可能會攝入更多的TiO2NPs 并產(chǎn)生更明顯的影響。Zhu 等[59]的研究結(jié)果表明，TiO2NPs 攝入后可顯著增加高脂飲食小鼠的體質(zhì)量，引起結(jié)腸黏液層破壞導(dǎo)致黏蛋白-2（Muc2）基因的下調(diào)，進(jìn)而引起低度全身性炎癥，加劇了高脂飲食誘發(fā)的肥胖，且肝臟和脂肪組織的重量增加更為明顯，表明TiO2NPs 的攝入對肥胖人群的作用更顯著。肝臟是維持血液葡萄糖穩(wěn)態(tài)以及脂質(zhì)代謝的主要部位[60-62]，TiO2NPs 攝入后其結(jié)構(gòu)極易受到破壞，進(jìn)而影響生物體糖脂代謝，引發(fā)代謝紊亂。已有大量研究表明，長期經(jīng)口攝入的TiO2NPs 會通過腸道吸收進(jìn)入血液循環(huán)到達(dá)肝臟，以內(nèi)吞的方式進(jìn)入肝細(xì)胞，同時Ti 會在細(xì)胞內(nèi)積累，導(dǎo)致各種組織中的Mg、Ca 和Co 等微量元素顯著減少，造成元素失衡，對于肝臟的抗氧化系統(tǒng)造成損傷，引發(fā)炎癥并造成肝細(xì)胞凋亡[63-66]。Medina-Reyes 等[67]研究發(fā)現(xiàn)TiO2NPs 的攝入促進(jìn)了HFD 小鼠的肝臟微囊脂肪變性。Liu 等[68]發(fā)現(xiàn)酒精干預(yù)下TiO2NPs（200 mg/kg bw）的攝入可加重酒精相關(guān)的肝損傷，顯著增加血清天冬氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶、總甘油和總膽固醇的水平，促進(jìn)肝臟脂肪變性和炎癥的產(chǎn)生。劉慧婷[69]對ICR 小鼠進(jìn)行長期TiO2NPs 灌胃處理，結(jié)果表明肝臟作為TiO2NPs 的主要代謝器官，損傷最為嚴(yán)重，且小鼠的免疫功能也因此受到影響。與此同時，肝臟RNA 微陣列分析結(jié)果表明存在96 個與脂質(zhì)代謝過程相關(guān)的差異表達(dá)基因，其中涉及的通路有：“生物氧化”、“膽固醇生物合成”、“脂類及脂蛋白代謝”等。綜上所述，TiO2NPs 的攝入一定程度上可引起機(jī)體脂質(zhì)代謝的紊亂，且這種作用在肥胖以及長期攝入高脂食物或飲酒的人群中可能更為明顯，而重新評估日常生活中人們（特別是易感人群）攝入TiO2NPs 對健康的影響尤為重要。

3 結(jié)語與展望

TiO2作為現(xiàn)今廣泛使用的白色素，因其性質(zhì)穩(wěn)定不易代謝，往往會作為食品添加劑隨食品攝入機(jī)體內(nèi)，從而產(chǎn)生難以估計的影響。本文主要綜述了食源性TiO2NPs 對機(jī)體腸道功能及糖脂代謝的相關(guān)研究，綜上所述TiO2NPs 可引發(fā)多器官的炎癥、氧化應(yīng)激以及代謝紊亂，具體表現(xiàn)為血糖上升、腸道黏膜受損、結(jié)腸炎癥反應(yīng)（見圖3 所示）。部分研究結(jié)果也表明對于腸道消化吸收功能相對薄弱的未成年個體而言，TiO2NPs 的攝入對其腸道健康、血糖代謝的不利影響可能更為嚴(yán)重。綜上可知，益生菌的攝入可以阻礙TiO2NPs 與腸上皮細(xì)胞的接觸，表明在日常生活中適量的補(bǔ)充有益腸菌可以有效防止由TiO2NPs 引起的嚴(yán)重腸道炎癥損傷，對于減輕由TiO2NPs 造成的腸道損傷具有重要意義。

圖3 TiO2 NPs 經(jīng)口攝入對機(jī)體腸道功能及糖脂代謝的影響Fig.3 Effects of oral intake of TiO2 NPs on intestinal function and glucose and lipid metabolism

此外，目前TiO2NPs 對糖脂代謝在細(xì)胞水平的作用機(jī)制尚未明確，而值得注意的是，有研究表明4-苯基丁酸、白藜蘆醇和維生素E 等抗氧化劑可顯著減少因TiO2NPs 所引起的ROS 增加，抑制血糖上升。已有研究表明ROS 通過促進(jìn)脂肪細(xì)胞分化和細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)積累兩種密切相關(guān)的機(jī)制促進(jìn)脂肪形成，多項研究揭示了脂肪細(xì)胞分化過程中內(nèi)源性ROS 生成增加和脂滴積累之間的正相關(guān)關(guān)系[70-73]?；诖?，ROS 在由TiO2NPs 引起的脂代謝異常中似乎發(fā)揮著舉足輕重的作用，而抗氧化劑的應(yīng)用能否恢復(fù)由TiO2NPs 引起的脂代謝異常也引起了實驗室的關(guān)注。為了驗證這一猜想，團(tuán)隊以小鼠前體脂肪細(xì)胞系及原代脂肪細(xì)胞為作用對象，初步驗證了TiO2NPs 對脂肪細(xì)胞的影響及抗氧化劑在其中的作用，而完善的影響機(jī)制仍需進(jìn)一步研究探索。

綜上所述，TiO2NPs 可對機(jī)體糖脂代謝及腸道健康產(chǎn)生不可忽視的不良影響，雖然目前大量研究已在小鼠、大鼠等試驗?zāi)Ｐ蜕祥_展，并得到引人警惕的結(jié)果，但TiO2NPs 作為食品添加劑的安全性問題尚未得到廣泛重視，國人日常飲食攝取的相關(guān)健康數(shù)據(jù)采集還處于相對匱乏狀態(tài)，因此仍需繼續(xù)對TiO2NPs 的使用安全及控制規(guī)范進(jìn)行系統(tǒng)評估。