人类肠道中的磁铁矿纳米颗粒: 环境污染的映射？

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Magnetite nanoparticles in the human gut - reflection of environmental pollution?

　　

来源于人为活动的人源性磁性铁氧化物纳米颗粒（magnetic iron oxide nanoparticles, MNPs）广泛存在于环境中，并可通过吸入和摄入进入人体。虽然人为来源MNPs通常与燃烧过程和工业活动造成的空气污染相关，但人类肠道可作为这些颗粒通过机体的一条通道，从而反映已内化的暴露情况。本研究采用高灵敏度磁测法和透射电子显微镜（transmission electron microscopy, TEM），对帕金森病（Parkinson’s disease, PD）患者（n=12）及其健康配偶（n=12）的粪便样本进行分析，以表征MNPs的丰度、晶粒粒径和形态。所有样本中均含有相当数量的MNPs。研究获得了圆形的燃烧来源颗粒、锐边的磨损来源颗粒，以及外观上具有细菌来源特征的自形颗粒。患者组与对照组之间的MNP浓度和形态相似。上述结果提供了概念验证，表明粪便磁测法可作为一种无创方法，用于检测和表征人类肠道内容物中的磁性纳米颗粒，并用于探索污染来源MNPs的体内暴露情况。

该研究发表于《Journal of Hazardous Materials Advances》，聚焦于人类肠道内磁性铁氧化物纳米颗粒（MNPs）的存在形式、潜在来源及其作为环境暴露指标的可行性。研究背景在于，磁铁矿Fe₃O₄和磁赤铁矿γ-Fe₂O₃等MNPs广泛存在于自然环境与人为污染环境中，其中人为来源颗粒尤其与交通排放、工业燃烧和机械磨损密切相关，并因常伴随有毒金属而具有公共卫生意义。既往研究已在脑、心、肝、脾和皮肤等人体组织中检测到MNPs，且有研究提示其可能与氧化应激、炎症反应及神经退行性疾病相关。然而，人类胃肠道尤其是粪便这一无创生物基质中的MNPs，过去几乎未被系统分析。因此，开展本研究的必要性在于补足人体内化环境暴露评估中的关键空白，验证粪便是否能够作为反映摄入性污染颗粒暴露的可行窗口。

研究人员纳入居住于芬兰赫尔辛基都市区的PD患者12例及其共同生活的健康配偶12例，以尽量控制饮食和家庭环境等混杂因素。研究人员对冻干粪便样本开展室温磁学测量、低温磁学测量和TEM观察，比较患者组与对照组在磁性颗粒浓度、磁畴粒级特征、矫顽力特征以及形貌学构成上的差异，并据此区分潜在的人为来源与生物来源颗粒。研究得出的核心结论是：人类肠道内容物中普遍存在MNPs，且其中以人为来源颗粒占主导，同时伴有少量可能具有生物成因的颗粒；PD患者与健康对照之间整体磁学特征和颗粒组成无显著差异；粪便磁测法能够作为一种无创、实用的环境MNPs体内暴露评估方法。其重要意义在于，该研究首次直接证明污染来源纳米颗粒可驻留于人类肠道，并为环境健康研究提供了新的生物学检测基质。

研究方法概括：研究对象为赫尔辛基都市区PD患者及其健康配偶。样本经冻干和粉碎后，采用高灵敏度磁化率、无滞后剩磁（ARM）、等温剩磁（IRM）及其退磁分析评估磁性含量与粒级；选取部分样本进行低温饱和等温剩磁（LT SIRM）升温曲线、零场冷却（ZFC）和场冷却（FC）测量以识别Verwey转变温度（T_v）特征；对磁选颗粒进行TEM及能量色散X射线谱（EDS）分析，以判定颗粒形态与元素组成。

3.1. 粪便样本的室温磁学性质
研究人员通过2 T IRM交流退磁曲线发现，所有粪便样本均存在低矫顽力亚铁磁性剩磁载体，指向磁铁矿或磁赤铁矿。MDF_IRM结果整体低于典型稳定单畴磁铁矿水平，提示样本中的磁性颗粒并非单一均一粒级，而更可能是较大颗粒与不同粒径颗粒的混合体。以300 mT IRM强度估算磁铁矿当量浓度后，患者组干重粪便中浓度范围为140-482 ng/g，对照组为87-565 ng/g，两组中位数极为接近，配对Wilcoxon符号秩检验未见统计学差异。进一步基于χ_ARM/SIRM与MDF_ARM双变量图分析，样本多数位于多畴与相互作用单畴磁铁矿之间，说明颗粒具有混合粒级及相互作用特征。再结合χ_ARM/IRM与χ_ARM/χ分析，绝大多数样本偏离典型细菌磁铁矿分布区，支持非生物成因磁铁矿占多数；仅个别样本接近细菌来源区域，提示可能存在少量生物成因贡献。总体而言，室温磁学结果表明，患者组和对照组在磁铁矿/磁赤铁矿浓度、粒径特征及推断来源方面均无系统性差异。

3.2. 粪便样本的低温磁学性质
在6份代表性样本中，LT SIRM升温曲线均于磁铁矿Verwey转变温度附近出现明显剩磁下降，证实样本中含有磁铁矿类颗粒。患者组与对照组在这一特征上并无组间分离，而是组内存在差异。依据Moskowitz等提出的δ_FC/δ_ZFC指标，所有样本比值均接近1，而非完整磁小体链典型的>2，这说明样本并不符合富含完整链状磁小体的纯磁趋性细菌颗粒特征。负导数曲线在约85-90 K和110-115 K处出现双峰，形成围绕T_v的宽峰分布。研究人员据此认为，样本中可能同时存在无机来源和生物来源MNPs，不同化学计量比、氧化状态及成因类型共同导致较宽的Verwey转变分布。这一结果与室温分析所提示的“混合粒径、混合来源”相互印证。

3.3. 粪便样本的透射电子显微镜结果
TEM和EDS对磁选颗粒的分析直接揭示了多种不同形貌的MNPs。最主要的是球形颗粒，粒径约6-790 nm，EDS证实其为铁氧化物，并在部分颗粒中检测到少量Si和Cr，这与人为污染颗粒复杂的化学组成一致。研究人员将其解释为典型燃烧来源颗粒。另观察到边缘尖锐、表面粗糙不规则的细长颗粒，其铁氧化物成分同样被EDS证实，这类形貌符合磨损来源人为颗粒特征。除此之外，样本中还存在少量自形、子弹状颗粒，尺寸约为139.9 × 87.8 nm至271.3 × 137.2 nm，形态上与细菌来源MNPs一致。需要注意的是，这些子弹状颗粒并未呈链状保存，而以孤立颗粒形式存在。TEM结果因此提供了直接形貌学证据，说明人类粪便中的MNPs至少包括燃烧来源、磨损来源以及可能的细菌来源三类成分。

讨论部分总结
研究人员认为，本研究最重要的发现是在人类粪便中同时识别出与人为成因和可能生物成因一致的两大类磁性纳米颗粒。球形和锐边颗粒分别对应燃烧及磨损过程所产生的污染颗粒，自形子弹状颗粒则与细菌磁铁矿形态相符。尽管仅凭形态不能将其绝对归因为细菌来源，但其与低温磁学中的双Verwey转变共同出现，使样本中存在少量生物成因磁铁矿的解释具有一致性。研究同时指出，这些生物成因颗粒在总MNPs中可能仅占较小比例，而现有TEM与磁学数据不足以完成精确源解析。

就环境暴露解释而言，研究设计通过选择同住配偶作为对照，尽可能减少了居住环境、饮食、水源和生活方式差异对结果的影响。患者组与对照组MNP特征高度相似，说明粪便中MNPs更可能主要反映共享环境暴露，而非PD特异性累积过程。结合赫尔辛基地区既往空气磁性颗粒研究结果，粪便中观察到的球形高温颗粒和磨损样颗粒，与该地区以燃烧来源和非尾气磨损来源为主的环境磁性颗粒谱系相一致。EDS中Fe富集并伴少量Si、Cr，也进一步支持这些颗粒至少部分来源于区域性空气污染及其室内沉降后的摄入。

研究人员同时强调，粪便磁测法属于半定量指标。粪便成分受饮食、水分、膳食纤维和肠道转运时间影响较大，因此粪便MNP浓度更适合反映近期摄入暴露、胃肠道处理过程和颗粒通过情况，而不能直接等同于全身MNP负荷，也不能由此推断系统吸收比例或特定器官沉积。尽管如此，作为概念验证，本研究清楚展示了粪便是检测体内环境MNPs暴露的可行无创基质，并且可提供血液等样本难以反映的“摄入后并经胃肠道处理”的颗粒信息。研究还讨论了MNPs潜在的健康相关性，包括其在肠道中的吸收、跨屏障转运、与微量元素相互作用以及与氧化应激、神经退行性病变相关机制之间的联系，但文中并未据此作出超出数据范围的疾病因果判断。

研究结论部分翻译
粪便分析结合高灵敏度磁测法和TEM分析表明，人类肠道中存在人为来源且可能也存在生物来源的MNPs。来源于城市空气污染和膳食来源的人为颗粒在丰度上占主导，而可能具有生物成因的MNPs出现频率较低。PD患者与健康对照之间MNP谱系的相似性提示，在该队列中，肠道驻留MNPs主要反映环境暴露，而非疾病特异性过程。本研究首次直接证明污染来源纳米颗粒可驻留于人类肠道，并支持将粪便样本用于评估环境MNPs的体内暴露。未来研究应进一步考察肠道驻留MNPs的长期暴露模式、来源及其潜在健康效应，尤其是在面临城市空气污染风险的人群中。