食品中二氧化钛纳米材料对消化道组织及肠道微生物群影响的研究进展

王 昊，王 然，巴 乾

上海交通大学公共卫生学院，上海 200025

二氧化钛（titanium dioxide，TiO2）是一种具有强力着色能力的白色、无味粉末，在自然界以锐钛矿、板钛矿和金红石3 种矿物形式存在，在食品领域其作为色素添加剂被广泛应用［1-2］。在联合国粮农组织/世界卫生组织食品添加剂联合专家委员会（Joint FAO/WHO Expert Committee on Food Additives，JECFA）编写的一份报告中，提到了1927、1928、1950、1955 和1963 年发表的5 项研究和1962 年的一项未发表研究，及其对动物摄入TiO2后的吸收和毒性作用的评估［3］。根据这些研究结果JECFA 得出结论，由于TiO2具有不可溶性、惰性、无毒性作用等特点，无需设立TiO2的可接受日摄入量［4-5］。因此在1969 年，TiO2被欧盟批准为食品添加剂并编号为E171，且未对其使用量进行限制［2］。在美国，食品药品监督管理局于1966 年批准TiO2作为食品添加剂，并规定其用量不应超过产品总重量的1%［6］。而在2021 年，欧洲食品安全局对E171 进行了重新评估，且认为TiO2作为食品添加剂是不安全的［7］。目前，市面上的食品添加剂中TiO2颗粒的尺寸范围为1～1 000 nm，其中纳米尺寸颗粒（0.1～100 nm）占有一定的比例。PROQUIN 等［8］发现E171 由39%的纳米尺寸颗粒和61%的微米尺寸颗粒组成。CHEN 等［9］对上海市售的6种口香糖中的TiO2进行分离，并通过透射电子显微镜对其粒径进行分析，结果发现27.7%～43.7%的TiO2颗粒尺寸在100 nm 以下。同时，一项针对2010—2012 年间荷兰人群的TiO2日摄入量的研究［10］发现，7 岁以上人群的摄入范围为0.06～0.17 mg/kg，2～6岁儿童则达到0.67 mg/kg。另外，在15 名死者的尸检中也发现，其肝、脾、肾、空肠和回肠样本中的总Ti 含量范围在0.01～2.0 mg/kg 之间，其中颗粒状TiO2占总Ti 质量的80%［11］。因此，这种长期的TiO2膳食暴露以及膳食TiO2中含有的TiO2纳米颗粒（TiO2nanoparticles，TiO2NPs）对人体可能产生的生物学效应及毒性作用逐渐引起了我们的关注。

已有较多研究［12-13］发现，肠道微生物群对调节肠道微环境、控制肠道炎症反应发挥了关键作用，而TiO2NPs经口摄入会直接影响消化道组织以及肠道微生物群的丰度和代谢水平并破坏肠道微环境的平衡。本文对TiO2NPs被摄入后对消化道内细胞组织及微生物群的影响以及该颗粒在肠道炎症的发生发展中发挥的促炎作用进行综述，以期为进一步完善TiO2纳米材料在食品领域中应用的安全性研究提供参考。

1 TiO2 NPs对消化道的影响

1.1 TiO2 NPs对口腔的影响

TiO2NPs经口腔摄入体内时，首先会与口腔黏膜直接接触。TEUBL 等［14］使用NM100（金红石，普通尺寸）、NM105（金红石，22 nm）、NM101（金红石，7 nm）TiO2NPs处理猪颊黏膜模型，结果发现黏膜细胞活力和黏膜完整性均未受到影响，其中NM100 和NM105 穿透了颊黏膜上部和下部，而NM101 仅能穿透颊黏膜上部，且NM105 可导致活性氧（reactive oxygen species，ROS）大量产生。在此基础上，TEUBL等［15］又研究了亲水性（NM103，金红石，20 nm）和疏水性（NM104，金红石，20 nm）TiO2NPs对相同体外模型的影响，结果发现大多数疏水性颗粒存在于囊泡结构中，亲水性颗粒则自由分布在细胞质中，其中亲水性颗粒比疏水性颗粒具有更强的引发毒性作用的潜力（如导致ROS的产生）。

研究［16-17］发现，TiO2NPs 与唾液接触过程中能够对α-淀粉酶的活性产生抑制作用，同时唾液中的黏蛋白会迅速吸附在TiO2NPs表面，改变颗粒间的胶体相互作用，从而降低颗粒聚集及形成团聚体的趋势。这种变化会影响TiO2NPs 进入胃肠道的理化性质，进而影响其穿透胃肠道的黏液层、被上皮细胞吸收和与肠道微生物相互作用的能力［16］。

1.2 TiO2 NPs对胃肠道的影响

1.2.1 TiO2NPs影响胃肠道对营养物质的吸收 小肠是食物消化和吸收的主要场所，其中小肠固有层和上皮共同凸向肠腔所形成的叶状结构为小肠绒毛，其主要目的是增大肠道的表面积，利于小肠对营养物质的吸收。微绒毛是绒毛上的刷状缘结构，为细胞质的突起。当TiO2NPs进入小肠时，会通过破坏肠上皮细胞的绒毛和微绒毛，影响营养物质的吸收。相关动物实验中，DUDEFOI 等［18］使用TiO2NPs 对小鼠进行灌胃，电子显微镜下发现肠上皮细胞排列不规则且小肠绒毛变长；KWON 等［19］使用TiO2NPs 处理大型蚤后，观察到其肠上皮细胞的突起和胞质内含物的扩张，且微绒毛形状变得不规则。在模拟小肠环境的体外模型实验［12，20-22］中发现，TiO2NPs 沉积可减少肠上皮细胞的微绒毛数量，并破坏微绒毛的正常组织形态。而该种破坏会直接影响金属元素（如铁、锌）［20］、脂质［20］、葡萄糖［22］和氨基酸［23］的转运和吸收；同时，GUO等［20］还发现TiO2NPs暴露可使肠上皮细胞的营养转运蛋白相关基因的表达发生变化，这提示TiO2NPs 影响了细胞的转运机制。鉴于TiO2自身的化学惰性，人们常认为微绒毛的破坏与TiO2NPs的物理沉降有关；但FAUST等［21］通过创造出微重力条件，消除了TiO2NPs物理沉降的因素，分析其对细胞微绒毛的影响，结果发现TiO2NPs仍然能通过生物学效应对微绒毛造成破坏。

除了通过破坏小肠绒毛和微绒毛来影响营养物质的吸收外，TiO2NPs还可以通过其他途径影响脂质的消化及吸收［24-25］。LI 等［25］发现脂肪酶会吸附在TiO2NPs表面，从而减少水解脂质的脂肪酶含量；同时，该颗粒还会吸附在脂滴表面，从而减少脂滴暴露于脂肪酶的表面积。但目前，尚未有研究报道TiO2NPs的粒径大小与脂质消化、吸收有直接关联。

1.2.2 TiO2NPs促进胃肠道炎症的发生与发展 TiO2NPs可通过多个方面促进胃肠道炎症的发生与发展。一方面，TiO2NPs的暴露会引起肠道形态的变化，主要表现为病理性炎症浸润损伤［26-27］和线粒体异常［27］。PINGET 等［28］研究发现，小鼠摄入TiO2NPs 会上调其肠上皮细胞的黏蛋白基因表达水平。LIMAGE等［29］发现，TiO2NPs 暴露会增加体外胃肠道模型（由Caco-2/HT29-MTX-E12 细胞模拟）的黏液层厚度及黏液分泌量，从而使其酸性和中性黏蛋白的分泌增加，并使二者的比例发生变化；且另有报道［30-31］证实，胃肠道的炎症和癌症的发生往往与酸性、中性黏蛋白的分布及比例的改变相关。值得关注的是，在动物实验［32］中研究者却发现，TiO2NPs 的摄入会显著降低小鼠小肠黏液的厚度，并下调肠道中重组黏蛋白2（recombinant mucin 2，MUC2） 的 表 达 水 平，而MUC2是肠杯状细胞分泌的肠黏液中的重要成分，对维持肠黏膜保护屏障起到了重要的作用［33］。因此，TiO2NPs对消化道及相关细胞的分泌和代谢的影响还有待后续研究加以探索。另一方面，消化道及相关细胞暴露于TiO2NPs的环境中会导致炎症相关因子的增加。研究显示，TiO2NPs的暴露会上调THP-1巨噬细胞中白细胞介素-1β（interleukin-1β，IL-1β）的表达和Caco-2 细胞中的IL-8 的表达［34］，还可上调结肠中的IL-1α、IL-6、肿瘤坏死因子-α （tumor necrosis factor-α， TNF-α） 和IL-17A 等 炎 症 因 子 的 表达［32，35］。同 时，多 项 研 究 发 现，TiO2NPs 会 导 致ROS 的积累［34，36-37］及超氧化物的生成［37］，进而引起肠道炎症的发生与发展。

另外，TiO2NPs的暴露还会影响细胞活力及其代谢水平。研究显示，TiO2NPs暴露可下调Caco-2细胞中过氧化氢酶、超氧化物歧化酶和谷胱甘肽还原酶的表达，使细胞内DNA 发生氧化损伤［36］，且细胞活力呈剂量依赖性下降［34］。同样地，体内实验［38］发现，向大鼠腹腔注射TiO2NPs可显著降低其肾脏、肝脏和脾脏中的谷胱甘肽水平和抗氧化酶活性。CHEN等［27］对小鼠的粪便进行代谢组学分析，结果发现TiO2NPs 暴露后增加的代谢物以N-乙酰组胺、己内酰胺和甘油磷胆碱为主，而减少的代谢物以4-甲基-5-噻唑乙醇、L-组氨酸和L-鸟氨酸为主。MU 等［39］研究还发现，TiO2NPs的长期暴露会显著减少肠系膜淋巴结中CD4+T 细胞、调节性T 细胞和巨噬细胞的数量。综上所述，膳食中摄入TiO2NPs会影响胃肠道细胞的生理功能和代谢水平，干扰体内免疫系统的平衡并导致胃肠道炎症的发生、发展。

2 TiO2 NPs对肠道微生物群影响

2.1 TiO2 NPs对肠道微生物群多样性的影响

许多研究证实TiO2NPs对于微生物群整体多样性的 影 响 较 为 有 限［17，39-40］，但CHEN 等［41］通 过16S rDNA 测序分析发现大鼠亚慢性暴露于TiO2NPs 的膳食环境中可导致其肠道微生物群多样性呈剂量依赖性增加。KOLBA 等［42］发现，TiO2NPs 暴露可导致鸡的盲肠质量/体质量比显著增加，而盲肠质量的增加提示细菌总量有所增加［43］。目前，TiO2对微生物群的研究主要为体外实验和动物实验，且多以中短期的暴露为主。因此长期摄入TiO2NPs对于人体肠道微生物群多样性的影响尚不清楚，仍需开展进一步的研究。

2.2 TiO2 NPs对肠道微生物群丰度的影响

与人体细胞不同，肠道微生物菌群虽能阻隔纳米材料的细胞壁，但缺乏特定的主动摄取机制（如哺乳动物细胞具有的内吞作用）。因此，TiO2NPs 影响肠道微生物菌落的机制与人体细胞主动摄取TiO2NPs的机制间存在较大差异。目前，纳米材料的抗微生物作用主要归因于该材料解离出的离子，由于不同微生物群对离子的敏感性存在差异，使得纳米材料对微生物群的影响有较大的种属差异性，进而其也会给微生物群的丰度带来一定影响［12，44］。

研究［45］表明，纳米材料的抗菌和促炎作用可能会促进原本低丰度的机会细菌的“繁殖”。体内、体外实验均发现，TiO2NPs暴露后肠道微生物群的丰度会发生显著变化， 如厚壁菌门 （Phylum Firmicutes）［46-47］、蛋白菌门（Proteobacteria）［17］、红球 菌 属（Rhodococcus）［17］、 梭 状 芽 孢 杆 菌 属（Clostridium）［40，47］等细菌的丰度增加，普氏菌属（Prevotella）［17］、韦荣氏球菌属（Veillonella）［27］、拟杆 菌 属 （Bacteroides）［32，40，46］、 罗 氏 菌 属（Rothia）［41］、双歧杆菌属（Bifidobacterium）［39，42，46］、乳杆菌属（Lactobacillus）［26，40，43，48-50］等细菌的丰度降低；其中，TiO2NPs对双歧杆菌、乳杆菌等益生菌的生长和活力的影响值得关注。KHAN 等［49］使用益生菌制剂分离得到凝结芽孢杆菌（Bacillus coagulans）和粪肠球菌（Enterococcus faecalis），并从巧克力中分离得到平均粒径约为40 nm 的TiO2NPs，共同培养后发现125 μg/mL 的TiO2NPs可有效抑制益生菌的生长和活力；继而推测，仅20 g 测试巧克力中的TiO2NPs 含量足可以影响2～8 岁儿童的肠道微生物群。ZHAO 等［26］观察连续14 d 摄入TiO2NPs 的小鼠并采集其粪便，通过粪便菌群移植实验发现，TiO2NPs可使小鼠肠道微生物群失调，并可激活肠道组织中核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）信号通路、诱发结肠炎症；随后，使小鼠口服鼠李糖乳杆菌补充剂后发现，口服补充剂可有效抑制原本被激活的NF-κB信号通路，并减轻TiO2NPs引起的结肠炎症损伤。

2.3 TiO2 NPs对微生物代谢的影响和促炎作用

TiO2NPs引起的肠道炎症反应包括对肠道中各类细胞的直接促炎作用，以及影响肠道微生物代谢所致的间接促炎作用。PINGET 等［28］研究发现，TiO2NPs的摄入可影响体内细菌代谢产物的生成，促进体外共生细菌的生物膜形成。同时，亦有大量研究发现摄入TiO2NPs会导致肠道微生物代谢紊乱，显著增加脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）的分泌，而后者则是膳食摄入TiO2NPs引起肠道氧化应激和炎症反应的重要媒介之一［27，32，41］。目前，已有研究［50］发现，LPS 主要通过刺激Toll 样受体4（Toll-like receptor 4，TLR4）的表达来诱导促炎细胞因子的释放，进而引起机体的免疫反应。YAN 等［32］研究发现，TiO2NPs的摄入会导致小鼠肠内容物中LPS水平显著升高，同时伴随肠PKC （protein kinase C，蛋白激酶C）/TLR4/NF-κB 信号通路的激活；因此推测，TiO2NPs导致的肠道炎症反应可能是由大量的LPS 触发TLR4信号通路，继而激活NF-κB 信号通路并产生大量的炎症因子所致。

3 总结与展望

考虑到膳食中人们长期摄入TiO2的客观事实，学者们针对TiO2的研究也长期集中在对该材料的急性毒性、慢性毒性等毒理学方面，而TiO2的不可溶性和惰性使其被认为是无毒性的。但多数体外实验和动物实验均发现，TiO2NPs能从多个方面影响消化道组织和肠道微生物群。本文简要综述了TiO2NPs对消化道组织和肠道微生物群造成的影响，以及其在肠道炎症发生与发展中的促炎作用。目前，在食品安全领域仍缺少对TiO2NPs的安全性风险分析及相应的控制手段，同时亦缺乏中长期TiO2NPs膳食暴露的人群试验数据。因此，随着人们健康意识的觉醒和科研技术的发展，中长期TiO2NPs膳食暴露的潜在危害将会得到更多的关注，而有关TiO2NPs对人体各方面的生物学作用机制亦会得到进一步的探索。