食源性纳米二氧化钛对生物体肠道功能及糖脂代谢的影响

刘静怡，钟 亮，袁甜甜，孙敬春，杨公社，于太永

（西北农林科技大学动物科技学院 陕西杨凌 712100）

随着科技的发展，纳米材料因结构多样性及与普通材料迥异的物理性质而被广泛应用于各领域，其研究热度也逐年上升。在食品生产中利用纳米技术研制食品添加剂和食品包装，可大大改善食品的质地、颜色以及口感[1-2]。与此同时，纳米材料通过饮食进入生物体的几率增加，其摄入后对机体肠道及糖脂代谢的影响亟待重视。

二氧化钛（Titanium dioxide，TiO2）俗称钛白粉，呈粉末状，粒径均匀，分散性好。按照它的晶型可分为金红石型、锐钛型和板钛矿型[3]3 种类型。自然界中常见的为金红石型、锐钛型2 种晶型，两者在一定条件下可以相互转化[4-5]。由于其极佳的不透明性、白度与光亮度，被认为是现今世界上最好的白色颜料。在食品领域，其被作为白色素添加到食品中，以改善食品色泽。日常生活中TiO2往往被添加到巧克力中增加其质感[6-7]或用在奶油蛋糕、奶粉、糖果、口香糖、碳酸饮料等食品中，使各类食品色泽更明亮诱人[8-12]。美国食品及药品监督管理局（FDA）与欧洲食品安全局（EFSA）早已出具相关文件允许TiO2的商品化使用[13]，其规定食品中TiO2的用量不可超过产品总质量的1%[14]。我国 《食品安全国家标准 食品添加剂使用卫生标准》（GB/T 2760-2014）也有明文规定，TiO2可作为着色剂添加到食品中，并规定在各种食品中的最大使用量（10 g/kg），目前已有超过900 种食品中含有TiO2[15]。

TiO2因化学惰性和不溶性而一直被认为是安全的[16-17]，然而由于TiO2存在一部分的TiO2纳米级颗粒，其摄入后对机体造成的安全问题备受研究者们关注。TiO2由微米级颗粒（MPs）和纳米级颗粒（NPs）混合组成，与微米级相比，纳米级TiO2具有更大的比表面积与细胞相互作用，从而影响细胞分泌、代谢过程和功能[18]。对世界各地不同制造商生产的TiO2样品的分析发现，其平均粒径在106～132 nm 之间，其中36%以上的粒子直径小于100 nm[19]。有研究表明这些直径小于100 nm 的TiO2NPs 通过不同途径进入生物体后，经血液循环沉积在肝脏、肾脏、脑、脾脏、生殖器官等脏器内[20]（如图1 所示），对其造成一定的损伤。基于此，本文总结TiO2NPs 摄入后对机体肠道功能、糖脂代谢的影响，这对由食源性TiO2NPs 引起的糖脂代谢紊乱等代谢疾病的治疗具有重要意义。

1 TiO2 NPs 对肠道的影响

1.1 对肠道结构的损伤

消化道作为机体摄取营养物质的重要部位，其结构的完整性决定了营养物质能否正常摄入、消化和吸收。食品添加剂TiO2的广泛使用大大提高了人们摄入TiO2NPs 的几率，胃肠道（GIT）吸收成为TiO2NPs 进入生物体的重要途径[21-22]。2017 年初，法国图卢兹大学研究人员按照10 mg/kg 的标准（人类日常TiO2摄入量）给小鼠喂食TiO2，首次发现TiO2可透过肠道屏障进入血液循环并广泛分布于体内各组织器官，尤以肠、肝脏中沉积最多[23]。小肠作为机体的主要营养吸收器官，其典型的绒毛状结构可使肠道表面积扩大，益于各类营养物质的吸收，同时小肠绒毛的结构完整是决定营养物质吸收效率的关键因素[24]。研究表明，TiO2NPs 摄入后将使肠上皮紧密连接蛋白Occludin 和ZO-1 表达水平降低，显著降低肠道的屏障功能，破坏屏障完整性[25]；此外，机体摄入TiO2NPs 后也将伴随微绒毛数量减少、长度变短，肠道细胞刷状缘受损等危害[26-28]，而这种损伤与TiO2NPs 的物理沉降无关[29]。随着消化过程的进行，未被小肠完全吸收的TiO2NPs 将随食糜进入大肠，改变大肠内肠道微生物群组成，影响结肠上皮功能，导致结肠上皮损伤，引起机体结肠的病理性炎症浸润和线粒体异常，引起炎症的发生[30]。

1.2 对营养物质消化吸收功能的影响

饮食摄入TiO2NPs 会对肠道结构造成一定程度的损伤，具体表现为：肠上皮细胞中吸收性微绒毛变短且稀疏，肠道可吸收营养物质的表面积减少，这使得葡萄糖[26]、氨基酸[27]、矿物元素（铁、锌）[28]、脂肪酸[28]等必需营养物质物质在肠上皮的转运受阻，导致其生物利用率下降；与此同时，不同营养物质的转运相关蛋白基因表达量也发生了改变[26-28]，上述研究结果表明TiO2NPs 可通过影响肠道绒毛细胞营养物质转运机制从而影响肠道正常营养物质的吸收。除了破坏肠道结构间接影响营养物质的吸收外，体外消化模拟试验发现，TiO2NPs 可通过吸附α-淀粉酶和二价阳离子抑制淀粉酶活性[31]。此外，也有研究表明，TiO2NPs易吸附于脂质小滴的表面或者被脂肪酶所吸附，减少了脂肪酶与脂滴的接触互作，从而降低了脂质的消化吸收[32]。同时，Li 等[33]通过人工胃肠道（GIT）模型模拟发现，TiO2NPs 可与脂肪酶和钙离子相互作用，干扰脂质的消化，降低脂溶性维生素D3的吸收，且此作用随着TiO2NPS 的浓度升高而增强，提示对于营养物质吸收能力较弱的人群（儿童、老人及患有肠道疾病的人群），更应该控制TiO2NPS 的摄入。

1.3 对肠道微生物的影响

肠道屏障功能及肠绒毛结构的稳态决定着肠道功能的正常运转，除此之外，肠道菌群的稳态对于维持肠道正常生理功能乃至机体健康也具有重要意义[34]。肠道菌群的失衡会影响能量吸收代谢，引发炎症并改变黏膜屏障，从而导致各种疾病的发生，如肥胖、糖尿病和炎症性肠病等[35-36]。小鼠灌胃实验结果表明，摄入TiO2NPs 可显著改变肠道微生物群的组成，如厚壁菌门的丰度增加[37]，双歧杆菌属[38-39]、拟杆菌门[39]、乳杆菌属[37-39]和普氏菌属[39]的丰度减少，增加了结肠黏膜中促炎性细胞因子的丰度[40]。粪便菌群移植（FMT）试验表明，与PBS-受体组相比，TiO2NPs-受体组的乳酸菌丰度显着降低，TiO2NPs 诱导了肠道微生物的改变，从而引起结肠炎症[41]，同时有益菌丰度的减少加重了DSS 诱导的体内慢性结肠炎和免疫反应[42]。Zhao 等[43]发现断奶大鼠摄入TiO2NPs 7～14 d 后，粪便中乳杆菌的丰度降低，且结肠上皮组织出现炎症性渗透损伤，这种损伤可以通过口服共生鼠李糖乳杆菌（LGG）益生菌补充剂得到缓解。对此，有体外试验证明，共生鼠李糖乳杆菌可以与体外模拟消化的TiO2NPs 相互作用，阻碍TiO2NPs 与肠上皮细胞的接触，从而防止TiO2NPs 引起的严重炎症损伤[44]。综上所述，TiO2NPs 摄入减少了有益菌丰度，破坏了肠道菌群稳态，进而引发结肠等部位的炎症发生；而在补充相应的有益肠菌后，炎症可得到缓解。

2 TiO2 NPs 对糖脂代谢的作用

2.1 对血糖代谢的影响

维持血糖稳态对于维持血糖代谢能力，保持血糖平衡，减少血糖波动起着关键作用，是保证机体糖代谢正常运转的基础。有研究表明环境颗粒物（PM 2.5）与2 型糖尿病的发病率有极强的关联性，而食品中的纳米颗粒同样存在潜在影响[45-46]。Gao 等[28]在大鼠上的研究结果表明粒径越小的纳米TiO2颗粒更易透过肠道进入血液循环，并提高血液中的钛（Ti）水平。Hu 等[47-48]用不同剂量的TiO2NPs 灌胃处理小鼠，结果表明摄入剂量超过50 mg/kg bw 可显著增加小鼠肝脏中细胞色素P450（P450s）的表达，进而诱发肝脏组织内质网应激，激活丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）和核因子激活的B 细胞的κ-轻链增强（NF-κB）通路从而诱导小鼠产生胰岛素抵抗，破坏血糖代谢稳态（如图2 所示）。内质网应激抑制剂4-苯基丁酸处理会显著减弱TiO2NPs 所引起的损伤（活性氧ROS 的产生）作用[49]。其它研究同样表明，2 种抗氧化剂（白藜芦醇和维生素E）处理小鼠后均可显著减少因TiO2NPs 所引起的ROS 增加，抑制血糖上升[50]。因此，抗氧化剂对于恢复因TiO2NPs 所引起的ROS 增加和胰岛素抵抗具有重要意义。在细胞水平上，将TiO2NPs 直接处理小鼠肝癌细胞（FAO细胞），会激活应激活化蛋白c-Jun 氨基末端激酶（JNK）和p38 丝裂原活化蛋白激酶（p38MAP），并在信号传导和代谢水平上诱导胰岛素抵抗，这说明TiO2NPs 可能会直接干扰胰岛素信号传导，从而损害肝源性细胞中的胰岛素抵抗[51]。综上，TiO2NPs 诱导的肝脏胰岛素抵抗在小鼠血糖紊乱中起核心作用。然而，与上述结果矛盾的是，有研究指出，TiO2NPs 摄入后对于血糖的影响并不是单一的上升。Chen 等[52]以低于50 mg/kg bw 剂量的TiO2NPs【粒径（29±9）nm】灌胃处理大鼠30 d 后产生微弱和短暂的降血糖作用，处理90 d 后血糖水平恢复正常，同时大鼠体质量显著降低，血液甘油三酸酯（TG）含量下降[53]。

图2 TiO2 NPs 诱导的肝脏内质网应激在小鼠血浆葡萄糖紊乱中的作用（参考文献[49]修改后所绘制）Fig.2 Role of TiO2 NPs induced hepatic endoplasmic reticulum stress in plasma glucose disorders in mice（Revised drawing of reference [49]）

此外，对不同年龄段小鼠的处理结果表明TiO2NPs 对生长发育阶段小鼠血糖代谢紊乱效果相较于成年小鼠更显著，幼年小鼠更易受到TiO2NPs 的影响[54-55]；在怀孕小鼠上的处理结果表明TiO2NPs 的摄入可引起乳腺中过度氧化应激，从而导致孕鼠血乳屏障功能失调[56]。同时，也会增加妊娠大鼠的空腹血糖，揭示妊娠期血糖代谢失衡的潜在风险[57]。对其子代小鼠的研究表明子代血糖并不会因母鼠妊娠期摄入TiO2NPs 而更敏感，这表明TiO2NPs 对于机体血糖代谢稳态的影响可能不具备遗传毒性[58]。综上所述，摄入TiO2NPs虽会引起机体血糖代谢紊乱，但对血糖影响的结果与处理浓度、时间、试验鼠生理状态以及粒径大小存在一定的相关性。因此全面、系统地评估不同浓度TiO2NPs 对于不同人群的健康影响同样具有重要意义。

2.2 对脂代谢的影响

随着人们生活水平的提高，脂质代谢紊乱所引起的诸如肥胖症、心血管疾病等愈发普遍。过量摄入高糖高脂饮食会诱发肥胖症，其中值得注意的是这些食品中往往含有TiO2NPs，肥胖患者通过饮食可能会摄入更多的TiO2NPs 并产生更明显的影响。Zhu 等[59]的研究结果表明，TiO2NPs 摄入后可显著增加高脂饮食小鼠的体质量，引起结肠黏液层破坏导致黏蛋白-2（Muc2）基因的下调，进而引起低度全身性炎症，加剧了高脂饮食诱发的肥胖，且肝脏和脂肪组织的重量增加更为明显，表明TiO2NPs 的摄入对肥胖人群的作用更显著。肝脏是维持血液葡萄糖稳态以及脂质代谢的主要部位[60-62]，TiO2NPs 摄入后其结构极易受到破坏，进而影响生物体糖脂代谢，引发代谢紊乱。已有大量研究表明，长期经口摄入的TiO2NPs 会通过肠道吸收进入血液循环到达肝脏，以内吞的方式进入肝细胞，同时Ti 会在细胞内积累，导致各种组织中的Mg、Ca 和Co 等微量元素显著减少，造成元素失衡，对于肝脏的抗氧化系统造成损伤，引发炎症并造成肝细胞凋亡[63-66]。Medina-Reyes 等[67]研究发现TiO2NPs 的摄入促进了HFD 小鼠的肝脏微囊脂肪变性。Liu 等[68]发现酒精干预下TiO2NPs（200 mg/kg bw）的摄入可加重酒精相关的肝损伤，显著增加血清天冬氨酸氨基转移酶、丙氨酸氨基转移酶、总甘油和总胆固醇的水平，促进肝脏脂肪变性和炎症的产生。刘慧婷[69]对ICR 小鼠进行长期TiO2NPs 灌胃处理，结果表明肝脏作为TiO2NPs 的主要代谢器官，损伤最为严重，且小鼠的免疫功能也因此受到影响。与此同时，肝脏RNA 微阵列分析结果表明存在96 个与脂质代谢过程相关的差异表达基因，其中涉及的通路有：“生物氧化”、“胆固醇生物合成”、“脂类及脂蛋白代谢”等。综上所述，TiO2NPs 的摄入一定程度上可引起机体脂质代谢的紊乱，且这种作用在肥胖以及长期摄入高脂食物或饮酒的人群中可能更为明显，而重新评估日常生活中人们（特别是易感人群）摄入TiO2NPs 对健康的影响尤为重要。

3 结语与展望

TiO2作为现今广泛使用的白色素，因其性质稳定不易代谢，往往会作为食品添加剂随食品摄入机体内，从而产生难以估计的影响。本文主要综述了食源性TiO2NPs 对机体肠道功能及糖脂代谢的相关研究，综上所述TiO2NPs 可引发多器官的炎症、氧化应激以及代谢紊乱，具体表现为血糖上升、肠道黏膜受损、结肠炎症反应（见图3 所示）。部分研究结果也表明对于肠道消化吸收功能相对薄弱的未成年个体而言，TiO2NPs 的摄入对其肠道健康、血糖代谢的不利影响可能更为严重。综上可知，益生菌的摄入可以阻碍TiO2NPs 与肠上皮细胞的接触，表明在日常生活中适量的补充有益肠菌可以有效防止由TiO2NPs 引起的严重肠道炎症损伤，对于减轻由TiO2NPs 造成的肠道损伤具有重要意义。

图3 TiO2 NPs 经口摄入对机体肠道功能及糖脂代谢的影响Fig.3 Effects of oral intake of TiO2 NPs on intestinal function and glucose and lipid metabolism

此外，目前TiO2NPs 对糖脂代谢在细胞水平的作用机制尚未明确，而值得注意的是，有研究表明4-苯基丁酸、白藜芦醇和维生素E 等抗氧化剂可显著减少因TiO2NPs 所引起的ROS 增加，抑制血糖上升。已有研究表明ROS 通过促进脂肪细胞分化和细胞内脂质积累两种密切相关的机制促进脂肪形成，多项研究揭示了脂肪细胞分化过程中内源性ROS 生成增加和脂滴积累之间的正相关关系[70-73]。基于此，ROS 在由TiO2NPs 引起的脂代谢异常中似乎发挥着举足轻重的作用，而抗氧化剂的应用能否恢复由TiO2NPs 引起的脂代谢异常也引起了实验室的关注。为了验证这一猜想，团队以小鼠前体脂肪细胞系及原代脂肪细胞为作用对象，初步验证了TiO2NPs 对脂肪细胞的影响及抗氧化剂在其中的作用，而完善的影响机制仍需进一步研究探索。

综上所述，TiO2NPs 可对机体糖脂代谢及肠道健康产生不可忽视的不良影响，虽然目前大量研究已在小鼠、大鼠等试验模型上开展，并得到引人警惕的结果，但TiO2NPs 作为食品添加剂的安全性问题尚未得到广泛重视，国人日常饮食摄取的相关健康数据采集还处于相对匮乏状态，因此仍需继续对TiO2NPs 的使用安全及控制规范进行系统评估。