二氧化硅纳米粒子（SiO?NPs）对人类肠道微生物组成和代谢的影响

《Food and Chemical Toxicology》：Effects of Silicon Dioxide Nanoparticles (SiO 2NPs) on Human Gut Microbiota Composition and Metabolism

　　

**短期体外暴露于SiO2NPs在单供体模型中重塑了肠道微生物群而未降低多样性。高剂量SiO2NPs富集了粪杆菌属和未分类梭菌，降低了黄酮菌、副柔膜菌和粪拟杆菌。多组学分析揭示在总短链脂肪酸输出不变的情况下，发酵从丁酸转向丙酸。放线菌—短链脂肪酸网络减弱；与支链脂肪酸和NH4+的关联在高剂量时增强**

**引言**

二氧化硅纳米颗粒（SiO2NPs）是食品工业中应用最广泛的工程纳米材料之一，因其物理化学稳定性、高比表面积和易于表面修饰而被用作抗结剂和包装材料1, 2, 3。食品级硅胶以合成无定形二氧化硅（SAS）的形式生产，这是一种通过气相法（烟化）或湿法（沉淀、凝胶、胶体）工艺获得的非多孔材料，在化学和结构上与有序介孔二氧化硅材料（如MCM-41、SBA-15）不同，后者专为药物递送和催化设计而非用作食品添加剂4, 5。介孔二氧化硅的毒理学特征已有较为详细的表征，而获准用于食品的非多孔SAS相比之下研究尚不充分。

作为食品添加剂E551使用的合成无定形二氧化硅（食品级SAS）据报道通常具有5-15纳米的一次颗粒尺寸6。这些一次颗粒聚集并进一步团聚形成更大的结构（>100纳米），尽管仍有小部分颗粒（<100纳米）存在，由于其尺寸小且比表面积高，可能增加反应活性并促进全身性分布至多个器官，包括心脏、肺、肝脏、肾脏和大脑7, 8。对从商业食品产品中分离的E551的直接表征证实了10-50纳米范围内球形无定形二氧化硅纳米颗粒的存在，同时观察到剂量依赖性的氧化应激和暴露人体细胞中细胞周期的改变9。随后关于纳米结构SAS作为食品添加剂的综述指出，尽管E551的组成聚集体通常超过100纳米且在胃酸条件下稳定，但在肠道较高的pH条件下可能会释放溶解性二氧化硅10。

鉴于SiO2NPs（纳米级无定形非多孔二氧化硅颗粒，<100纳米）与生物系统相互作用的能力，其日益被纳入食品产品中引发了担忧，尤其是在口服摄入和胃肠道（GI）道内相互作用后8。2018年，欧洲食品安全局（EFSA）重新评估了E551的安全性，指出物理化学性质（如颗粒尺寸分布和表面修饰）数据不足，并得出结论认为由于数据不一致，无法确定可接受每日摄入量（ADI）11。这些监管不确定性凸显了需要在人体肠道环境中进行将纳米颗粒特性与生物效应联系起来的机制研究的必要性。

人体肠道微生物群由大约3.8×10^13个微生物组成，主要位于结肠，在营养代谢、免疫调节和肠道屏障维护中发挥着关键作用12。该肠道微生物群是动态的，可受饮食、生活方式、压力、药物和环境毒素（如食品添加剂）暴露的影响13。该生态系统的扰动，即失调，与代谢和炎症性疾病相关，包括肥胖、炎症性肠病和2型糖尿病14。影响宿主健康的关键微生物代谢物包括短链脂肪酸（SCFAs）——乙酸、丙酸和丁酸——在膳食纤维发酵过程中产生14。SCFAs通过为结肠细胞提供能量底物、增强上皮完整性、调节免疫反应和限制病原体生长来支持肠道健康。相反，SCFA产生减少或氨（NH4+）等副产物积累可能提示失调并导致肠道炎症15, 16, 17。SCFA谱或含氮代谢物的扰动可能首先表现为功能变化，而后才在大的群落水平组成变化中被检测到18。当总量不变时，标准单变量分析可能会遗漏这些早期调整，但网络结构已被重塑19。因此，整合多组学方法非常适合探究环境暴露和饮食暴露引起的微妙但具有生物学意义的反应20。在此背景下，涉及DIABLO的多组学整合通过连接微生物分类群与代谢物谱，实现了功能相关跨组学关联的识别21。

近期体外研究报告称SiO2NPs可根据浓度和颗粒尺寸诱导氧化应激和炎症反应22, 23。在小肠体外模型中，SiO2NP暴露改变了上皮功能，包括营养吸收能力24，从糖果产品中回收的SiO2和TiO2颗粒在模拟胃肠道消化过程中保持颗粒形态并降低了Caco-2细胞活力25。在啮齿动物中，硅胶纳米颗粒与经气管灌洗后通过线粒体途径导致心肌细胞凋亡相关8，母体暴露与后代海马神经发生和突触发生减少相关7。与本研究尤为相关的是，据报道给小鼠口服无定形SiO2NPs会损害神经行为表现，并与微生物群—肠—脑轴紊乱有关26。然而，体内研究的结果不一致。短期（7天）暴露研究报告了促炎细胞因子升高和微生物丰富度增加27，而一项长期（24周）研究发现无剂量依赖性毒性28。这些差异部分归因于纳米形式、剂量、暴露持续时间和动物模型的不同，它们凸显了需要锚定于现实饮食摄入的暴露场景的必要性。重要的是，目前尚无研究考察SiO2NPs如何影响人体肠道微生物群的组成和代谢活性。

为弥补这一空白，本研究采用计算机控制的体外胃肠道消化和批培养发酵模型，接种人体粪便微生物群，以评估短期暴露于无定形SiO2NPs（跨越食品相关剂量范围）是否会产生：(a)剂量依赖性肠道微生物组成变化；(b)短链脂肪酸和支链脂肪酸（BCFAs）、铵离子浓度和抗氧化能力的变化；以及(c)DIABLO整合揭示的分类群—代谢物关联的网络水平重组。为此，我们使用了SiO2NPs，一种实验室级12纳米无定形SiO2材料。研究结果提供了关于在受控的人体相关条件下口服摄入无定形SiO2NPs后剂量依赖性微生物和代谢反应的新见解。

**片段**

**SiO2NPs剂量依据**

肠道模型中的SiO2NPs剂量基于成人平均每日生理摄入量，考虑人类小肠表面积以反映生理暴露。因此剂量依据分两步进行：(i) 从已发表的暴露文献中获取成人每日摄入量；(ii) 将该摄入量转化为输送到肠道模型的量，该模型以大约成人结肠区室工作体积的一半运行。

**粪便水SCFA和BCFA分析**

检测了总SCFA和单个SCFA及BCFA的浓度以评估微生物代谢活性（图2、图3、图4）。在各SiO2NP处理组之间未观察到总SCFA或BCFA浓度的显著差异，表明在测试的剂量（3.15–1,260毫克）和12小时暴露窗口内，纳米颗粒暴露未改变总发酵输出。然而，乙酸（p=0.01）、丙酸（p=0.02）等存在时间依赖性变化。

**讨论**

本研究使用单供体体外批培养发酵模型调查了无定形SiO2NPs对肠道微生物群及其代谢活性的短期影响。总体而言，SiO2NP暴露未改变全局微生物多样性，所有浓度下α和β多样性均保持稳定。然而，观察到中等程度的剂量依赖性分类变化：在高剂量下，粪杆菌属和未分类梭菌富集，副柔膜菌、粪拟杆菌和黄酮菌……

**结论**

总之，在单供体体外模型中，多组学结果表明SiO2NPs未造成多样性丧失，但在12小时内微妙地重塑了肠道微生物功能。高剂量暴露与粪杆菌属和未分类梭菌富集以及副柔膜菌、粪拟杆菌和黄酮菌耗竭（FDR < 0.05）相关。这些组成变化伴随着丁酸百分比、戊酸和己酸的名义性（非FDR显著）下降。

**CRediT作者贡献声明**

Stan Kubow：原创稿件撰写、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据整理、概念构思。Premkumari Kumarathasan：审阅与编辑、原创稿件撰写、验证、资源、方法论、调查、正式分析、概念构思。Michele M. Iskandar：审阅与编辑、原创稿件撰写、验证、软件、项目……

**伦理声明**

从所有参与者或其法定代表处获得了口头知情同意，同意参与研究并发表文章。本研究使用了研究团队成员自愿提供的粪便材料。根据麦吉尔大学适用的机构要求和当地法规，本研究无需研究伦理委员会审查和批准。已尊重参与者的隐私权。

本研究包含器官或组织……

**利益冲突**

作者声明本研究在不存在任何可能被视为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行。

**数据可用性声明**

原始16S rRNA基因序列数据已存入（存储库）且公开可用。支持本文结论的所有其他数据均在论文和补充材料中提供，或可从通讯作者处合理请求获取。

**生成式AI和AI辅助技术在稿件准备过程中的声明**

不适用。

**资金**

本研究由加拿大自然科学与工程研究委员会给予S.K.的发现计划拨款支持，以及加拿大卫生部化学管理计划拨款支持。

**竞争利益声明**

? 作者声明以下财务利益/个人关系，可被视为潜在竞争利益：Stan Kubow报告获得了加拿大自然科学与工程研究委员会的资金支持。Leila Khorraminezhad报告获得了魁北克健康研究基金的资金支持。如有其他作者，声明不存在已知的可能影响……

**致谢**

本研究由加拿大自然科学与工程研究委员会给予S.K.的发现计划拨款以及魁北克健康研究基金（FRQS）给予L.K.的拨款支持。

Zihan (Nylah) Zhang | Leila Khorraminezhad | Michèle M. Iskandar | Premkumari Kumarathasan | Stan Kubow