高碳水化合物、蛋白质和脂肪饮食通过影响肠道菌群和肠屏障功能提高受污染土壤中铅的生物利用度

《Environmental Research》：Bioavailability of lead in contaminated soils elevated with high carbohydrate, protein, and fat diets via influences on gut microbiota and intestinal barrier function

　　高碳水化合物、高蛋白和高脂肪饮食增加小鼠的土壤铅相对生物有效性（Pb-RBA）。高蛋白和高脂肪饮食导致小鼠肠道屏障损伤。氧化应激和炎症增加肠道通透性。膳食纤维丰富抗炎肠道细菌。膳食纤维有降低Pb-RBA的潜力。引言铅（Pb）暴露是一个持续存在的健康问题，因为它对儿童神经发育有显著的负面影响（Zhang等，2012）。意外摄入受污染的土壤是人类暴露于铅的主要途径之一，尤其是儿童表现出频繁的将手放入口中的行为（Lin等，2017）。有报告指出，儿童血液铅水平与土壤铅浓度之间存在强正相关（Lin等，2022；Yin等，2022；Zahran等，2010）。然而，如果不考虑生物有效性，基于土壤总铅浓度评估的人类暴露和健康风险可能被高估。摄入后，仅有一部分铅从土壤基质中释放到胃肠道并进入体循环。这被认为是生物有效部分，可通过体内实验进行量化（Li等，2015）。摄入受铅污染的土壤通常伴随着食物的摄入，食物组成是据报道影响铅吸收和积累的因素。例如，已证明以EDTA-FeNa形式补充铁，通过Fe-Pb吸收竞争和EDTA促进的铅尿排泄，可显著降低土壤中铅的相对生物有效性（RBA），从79.5%降至23.1%（Lin等，2022）。此外，研究报告指出，磷酸铅沉淀是CaHPO?存在下铅RBA较低的 key contributor，而其他形式的钙主要通过减少钙转运体来降低铅RBA（Li等，2022）。尽管矿物质对铅生物有效性的影响和机制已得到阐明，但主要食物成分（如蛋白质、脂肪和碳水化合物）对铅口服生物有效性的影响仍不清楚。当大鼠在低蛋白饮食存在下摄入Pb(NO?)?时，观察到血液铅显著降低（约50%）（Xuan等，2025）。Liu等（2020）证明，饲喂高脂肪饮食的小鼠粪便铅排泄显著低于饲喂基础饮食的小鼠。食物中的碳水化合物可通过络合作用与铅形成有机配体，从而增加铅在胃肠液中的溶解度（Kan等，2017）。先前的研究证实，食物中的营养素可以影响铅的吸收和积累。因此，系统评估不同宏量营养素对铅口服生物有效性的调节作用是有必要的。尽管鸡蛋和牛肉等富含脂肪和蛋白质的食物有可能增加土壤中铅的口服生物有效性（Li等，2018），但这种效应仅限于特定食物。更重要的是，其潜在机制仍不清楚。饮食可以快速改变肠道微生物组的组成，而肠道微生物组在铅的吸收和转运中发挥着至关重要的作用（David等，2014）。研究报告指出，乳酸杆菌属细菌，如植物乳杆菌、鼠李糖乳杆菌和发酵乳杆菌，可通过快速且代谢非依赖的表面过程结合铅（Halttunen等，2007；Tian等，2012）。通过补充半乳寡糖（GOS），可增加具有结合铅能力的肠道细菌的丰度，从而减少小鼠血液和组织中铅的积累（Zhai等，2019）。不同的食物组成（如蛋白质、脂肪和纤维）可通过调节小鼠肠道微生物组的组成来影响肠道通透性（Arifuzzaman等，2024；Brinkworth等，2009；Snelson等，2021）。肠道通透性增加通常伴随细胞损伤、炎症和紧密连接破坏，这可能促进金属(类金属)吸收增强（Rooks和Garrett，2016）。基于现有证据，我们假设食物组成通过改变肠道微生物组的组成来调节肠道屏障功能，从而影响肠道对铅的吸收。总之，现有研究已分别证明，多种饮食成分可通过改变铅溶解度、重塑肠道微生物组结构和调节肠道通透性来影响铅的吸收。然而，关于不同饮食结构影响铅口服生物有效性的机制，仍缺乏系统研究和比较。本研究的目的是在使用小鼠生物检测评估受污染土壤Pb-RBA时，评估不同类型饮食的影响。具体目标为：（1）评估四种饮食结构（高脂肪、高蛋白、高膳食纤维和高碳水化合物）对暴露于污染土壤的小鼠Pb-RBA的影响；（2）阐明四种饮食结构引起铅口服生物有效性差异的潜在机制，重点关注肠道微生物组和肠道屏障功能。本研究的结果对于应用饮食策略减少与意外摄入土壤相关的健康风险具有重要意义。受污染土壤从中国河北省雄安新区的工业区（土壤A）和河南省济源市的农田（土壤B）采集了两份受污染土壤（补充信息，表S1）。自然风干后，土壤用250微米尼龙筛筛选，然后按照美国环保署（USEPA）方法3050B进行三份平行消解（US EPA，1996）。简言之，准确称量0.5000克干土壤样品，依次在95°C下向热板消解系统添加HNO?（1:1，v/v）和H?O?（30%）进行连续消解。饮食组成对组织铅积累的影响暴露于不同饮食结构受铅污染土壤后的小鼠体重和饮食消耗情况如图S3所示。在14天期间，无铅暴露组饲喂未添加污染土壤的基础饮食的小鼠体重增加为1.56 ± 0.53克，而饲喂添加土壤A和土壤B基础饮食的小鼠体重分别增加–0.39 ± 0.35克和1.09 ± 0.22克。与添加土壤A的基础饮食组相比（p < 0.05），小鼠体重增加在结论在本研究中，利用小鼠模型构建了四种典型饮食模式，并系统评估了不同饮食模式对土壤中铅口服生物有效性的影响。体内实验结果表明，高脂肪、高碳水化合物和高蛋白饮食显著增加了铅吸收。在评估肠道生理指标时，发现这些饮食与氧化损伤和肠道炎症相关，这与CRediT作者贡献声明李杰：写作—审阅与编辑，经费获取，形式分析，概念化。Albert Juhasz：写作—审阅与编辑，概念化。李洪波：写作—审阅与编辑，形式分析。李卡：写作—原稿撰写，调查，形式分析。白汝琦：验证，方法学。陈硕：写作—原稿撰写，方法学，数据整理未引用参考文献Chen等，2021；Cui和Dibley，2012；Li等，2016；Li等，2017；US EPAO，1996。伦理声明本研究按照ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南进行。本研究经山东师范大学动物实验伦理委员会批准。（批准号：AEECSDNU2024008）利益冲突声明? 作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这可能被认为会影响本论文报告的工作。致谢本工作得到中国国家自然科学基金（41807485）、山东省自然科学基金（ZR2019BD002）和中国博士后科学基金（2018T110705，2017M622264）的支持。陈硕|李洪波|Albert L. Juhasz|白汝琦|李卡|李杰