膳食二氧化钛（E171）改变结肠转录组——来自人体饮食干预研究的证据

《Molecular Nutrition & Food Research》：Dietary Titanium Dioxide (E171) Alters the Colon Transcriptome—Evidence From a Human Dietary Intervention Study

　　

食品级二氧化钛（E171）因潜在基因毒性（genotoxicity）担忧已从欧洲食品市场撤出，但人体证据仍然有限。考虑到其在欧盟以外持续使用，阐明其潜在危害对人类风险评估至关重要。在一项随机交叉研究中，31名成年人连续2周摄入2 mg/kg体重/天的E171，并在对照期和暴露期后收集生物样本。口服摄入导致粪便中钛（titanium, Ti）浓度升高（对照期：6.3 mg/kg；E171期：377 mg/kg）。颗粒表征显示中位粒径为228 nm，其中9%小于100 nm。系统氧化应激（oxidative stress）增加，表现为全血中超氧自由基（superoxide radical）水平升高（p = 0.057）。结肠活检的转录组学分析揭示了与氧化应激、细胞代谢和结直肠癌（colorectal cancer, CRC）相关过程有关的73条通路激活。观察到的转录变化与其提出的作用模式（mode of action, MoA）发现一致。这项人体干预研究描述了膳食E171经人体胃肠道消化后的效应，并提供了证据表明摄入膳食E171可诱导系统氧化应激和结肠转录变化。这些发现强化了监管机构对E171作为食品添加剂及其对人类胃肠道健康潜在有害影响的担忧。

**论文解读：膳食二氧化钛（E171）对人体结肠转录组的影响——来自人体饮食干预研究的证据**

**研究背景与问题**
二氧化钛（TiO₂，食品添加剂E171）因其高折射率和亮度被广泛用于糖果、酱料、烘焙食品等加工食品以及药品包衣中。传统上基于其惰性假设被认为是安全的，但新近证据挑战了这一观点，尤其关注其胃肠道毒性。欧洲食品安全局（EFSA）重新评估后，欧盟于2022年禁止E171在食品中使用，原因是基因毒性担忧。然而，美国FDA和加拿大卫生部仍允许其使用，并认为现有证据不足以支持人类健康风险。动物和体外实验表明，E171可诱导炎症、DNA损伤、肠道菌群改变及结直肠癌前期变化，但人体数据极为匮乏。已有研究仅检测到粪便中钛水平升高，但未评估经消化后E171的理化性质及其对结肠组织的直接效应。为填补这一空白，研究人员开展了这项随机交叉饮食干预研究，旨在评估E171对健康志愿者胃肠道和系统健康的影响，提供人类直接证据，以支持或反驳监管决策。

**研究人员开展的研究**
研究采用随机交叉设计，纳入31名健康成年人（42%男性，58%女性，平均年龄31.2岁，平均BMI 23.1 kg/m²），每位参与者分别接受2周E171暴露（2 mg/kg体重/天，混入酸奶）和2周对照期，随后收集粪便、全血、血浆和直肠活检样本。通过高分辨率电感耦合等离子体质谱（hrICP-MS）和单颗粒电感耦合等离子体质谱（spICP-MS）检测粪便钛浓度及颗粒粒径；电子自旋共振（ESR）光谱分析全血超氧自由基；TEAC和蛋白羰基含量（PCC）评估血浆抗氧化能力与氧化损伤；高敏C反应蛋白（hs-CRP）和多重细胞因子检测评估系统炎症；RNA测序结合基因集富集分析（GSEA）分析结肠转录组变化。 **主要结论**：E171摄入后粪便钛中位数达377 mg/kg（对照期6.3 mg/kg），颗粒中位粒径228 nm，9%小于100 nm。全血超氧自由基水平升高（p=0.057），提示系统氧化应激增加。结肠转录组中73条KEGG通路显著激活，包括氧化磷酸化、糖酵解/糖异生、TCA循环、谷胱甘肽代谢、化学致癌-活性氧、结直肠癌（CRC）通路，以及mTOR、FoxO、PPAR、AMPK等信号通路；无通路下调。这些变化与E171提出的作用模式（MoA）各关键事件一致，涵盖细胞摄取、ROS生成、氧化应激、代谢重编程、屏障/微生物组改变、局部炎症、DNA损伤、增殖信号及CRC通路。**重要意义**：该研究首次在人体中证实膳食E171经消化后仍可诱导系统氧化应激和结肠转录组改变，支持欧盟禁用E171的监管决定，并呼吁全球市场及药品中重新评估其使用。论文发表在《Molecular Nutrition》。

**主要关键技术方法**
研究人员采用以下关键技术：
1. **颗粒表征与暴露监测**：使用高分辨率电感耦合等离子体质谱（hrICP-MS）和单颗粒电感耦合等离子体质谱（spICP-MS）测定粪便总钛浓度及颗粒粒径分布，结合透射电子显微镜（TEM）验证表征。
2. **氧化应激检测**：电子自旋共振（ESR）光谱分析全血超氧自由基水平；Trolox等效抗氧化能力（TEAC）和蛋白羰基含量（PCC）评估血浆抗氧化能力与氧化损伤。
3. **炎症标志物检测**：高敏C反应蛋白（hs-CRP）和Luminex多重细胞因子平台（IL-1β、IL-6、IL-8、IL-10、IL-17、IL-18、IFN-α、IFN-γ、TNF-α）分析血浆炎症状态；粪便钙卫蛋白（calprotectin）评估肠道炎症。
4. **转录组分析**：从直肠活检提取RNA后，采用rRNA去除文库制备和NovaSeq 6000系统进行批量RNA测序，使用R-ODAF流程预处理，Gene Set Enrichment Analysis（GSEA）基于KEGG通路数据库鉴定差异激活通路。样本来源：31名健康志愿者（马斯特里赫特大学医学中心，MUMC+）。

**研究结果**
**3.1 参与者**：共有31名健康成年人完成干预（脱落仅因日程问题），平均年龄31.2±14.1岁，BMI 23.1±2.0 kg/m²，体重、热量摄入及矿物质水平在期间无变化。
**3.2 理化表征**
**3.2.1 粪便分析（hrICP-MS和spICP-MS）**：通过hrICP-MS检测粪便总钛，E171期显著高于对照期（中位数377 vs 6.3 mg/kg，p<0.0001），表明依从性良好且无额外饮食暴露。spICP-MS显示原始E171中位粒径78 nm（75%<100 nm），混入酸奶后增至282 nm（15%<100 nm），粪便中检出为228 nm（9%<100 nm），表明消化后颗粒尺寸增大。
**3.3 蛋白定量**：BCA法测定血浆蛋白浓度，两组间无差异（约45,000 μg/mL），无需额外校正。
**3.4 系统氧化应激标志物**
**3.4.1 TEAC和TCA-TEAC**：血浆总抗氧化能力及TCA沉淀后抗氧化能力在暴露前后无显著变化。
**3.4.2 ESR光谱**：全血超氧自由基水平在E171暴露后呈升高趋势（几何均值比1.175，p=0.057），接近统计学显著，提示系统氧化应激增加。
**3.4.3 PCC**：血浆蛋白羰基含量无显著差异。
**3.5 系统炎症标志物**
**3.5.1 hs-CRP**：高敏C反应蛋白水平在暴露后呈升高趋势（p=0.0755），但未达显著。
**3.5.2 细胞因子面板**：8种血浆细胞因子（IL-1β、IL-6、IL-8、IL-10、IL-17、IL-18、IFN-α、IFN-γ、TNF-α）均无显著变化。
**3.5.3 粪便钙卫蛋白**：粪便钙卫蛋白浓度在两组间无差异。
**3.6 批量RNA测序的GSEA**：经预处理后18,021个基因纳入分析，GSEA鉴定出73条显著上调的KEGG通路（FDR<0.05），包括：核糖体（翻译）、氧化磷酸化（代谢）、代谢通路、碳代谢、化学致癌-活性氧（ROS）、结直肠癌（CRC）、mTOR信号、FoxO信号、AMPK信号、PPAR信号、谷胱甘肽代谢、过氧化物酶体、丙酸代谢、丁酸代谢、糖酵解/糖异生、TCA循环等。无通路下调。将转录变化映射至E171的假定MoA，确认了从细胞摄取（内吞、吞噬体、溶酶体、自噬）到CRC通路（PI3K/MAPK模块）的9个关键事件。具体而言，CRC通路中观察到AXIN抑制、APC激活及β-catenin增加，符合CRC特征。这些变化与Warburg效应（代谢转向糖酵解）一致，且在iPSC衍生结肠类器官模型中也有类似发现。

**讨论与结论总结**
**讨论部分**：本研究是首批在健康人中系统评估膳食E171局部和系统效应的干预研究。粪便钛浓度显著升高，证实了暴露依从性，且与既往队列研究（Putra et al., 2024）中高暴露组水平可比。ESR检测到超氧自由基升高，提示E171在胃肠道消化后仍可诱导系统ROS，可能源于其表面反应性或继发代谢效应（如线粒体氧化磷酸化增强），这与Bischoff et al. (2024)的结肠类器官体外结果一致。尽管出现氧化应激，但系统炎症标志物（hs-CRP、细胞因子、钙卫蛋白）未显著改变，表明健康人群中短期暴露未引发可测量肠道炎症。转录组分析显示73条通路激活，涵盖代谢重编程（Warburg效应）、氧化应激、DNA损伤与修复、增殖信号及CRC相关通路，且与动物模型和类器官研究结果高度一致。特别值得注意的是，SCFA代谢（丁酸、丙酸）通路激活，可能通过GPCR或NLRP3炎症小体产生促炎效应。与Caco-2细胞模型相比，iPSC类器官和疾病易感动物模型对E171更敏感，而健康人数据介于两者之间。研究局限性包括：未评估结肠组织局部炎症标志物（如谷胱甘肽-S-转移酶、α1-抗胰蛋白酶）、研究周期短（2周）及样本量有限，建议未来关注易感人群（如肠炎或癌前病变患者）。
**结论部分翻译**：总之，这项在健康人中进行的饮食干预研究以人类相关剂量揭示了膳食E171暴露对胃肠道的关键影响。通过hrICP-MS、spICP-MS和TEM等先进技术，研究人员监测了研究依从性并表征了E171颗粒在人体胃肠道消化前后的特征。实验强调了E171诱导氧化应激的潜力，表现为系统超氧自由基水平升高。转录组分析提示结肠中碳代谢和氧化磷酸化增强，与致癌性Warburg效应一致。此外，研究人员鉴定出与癌症、炎症和代谢失调相关的通路激活，包括mTOR、FoxO、PPAR和AMPK信号，这些通路已知参与结直肠癌发生。综合而言，本研究突出了膳食E171暴露的潜在健康风险，揭示了其作用模式（MoA）的机制线索，并增强了对其胃肠道健康影响的理解。当前发现支持欧盟委员会禁止E171作为食品添加剂的监管决定，并呼吁在全球市场和药品中重新评估其使用。