食品添加剂究竟对健康影响多大？多组学研究提醒诸多隐患，或改变肠道菌群！

据统计，在日常饮食中有超过900种食品含有一种名为E171的食品添加剂，如甜点、糖果、饮料和口香糖等，也被用于牙膏、化妆品中，E171可为这些食品或用品增白。

E171由不同大小的二氧化钛（TiO₂）颗粒组成，其中三分之一或更多的是纳米级TiO₂ （<100 nm，TiO₂ NPs）。TiO₂ NPs可能更易被人体吸收，考虑到存在的一定安全隐患，从2020年1月1日起，法国已经禁止含有E171的食品进入市场，但是在中国、美国等国家，E171仍可作为食品添加剂使用。

为了更好地了解食源性TiO₂ NPs对人体健康的影响，尤其对全球约三分之一的肥胖人群而言，是否更易受到潜在有害影响，美国麻省大学阿默斯特分校食品科学系肖航教授团队，结合宏基因组、蛋白组和代谢组等多组学技术，分别比较了口服两种颗粒大小不同的TiO₂ NPs （33 nm）和TiO₂ E171（~110 nm），对肥胖和非肥胖小鼠的影响。相关文章于2020年9月发表在Small（IF=11.459）上。

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1. 整体思路

图1 文章整体研究思路

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2. 主要结果

（1）比较颗粒大小不同的TiO₂ E171和TiO₂ NPs，对小鼠肠道菌群分布的影响

采用16s rRNA检测6组小鼠肠道菌群变化，结果显示TiO₂改变了肠道微生物群的组成，且TiO₂ NPs处理的小鼠肠道微生物群的变化强于TiO₂ E171处理的小鼠，肥胖小鼠肠道微生物群的变化也强于非肥胖小鼠。

与非肥胖对照组小鼠相比，TiO₂ E171、TiO₂ NPs分别使肥胖小鼠体内厚壁菌门丰度增加39%和40%，TiO₂ NPs导致拟杆菌门丰度降低46%，这表明TiO₂颗粒（特别是TiO₂ NPs）改变了肠道菌群，可能增加肥胖和炎性疾病风险。

图2 TiO₂ E171和TiO₂ NPs对肠道厚壁菌门、拟杆菌门的影响

同时，两种具有促进健康潜力的常用益生菌双歧杆菌和乳酸菌，在小鼠摄入TiO₂颗粒后其丰度显著降低。表明TiO₂颗粒也可能会导致小鼠罹患肠易激综合症等疾病的风险增高。

图3 TiO₂ E171和TiO₂ NPs对双歧杆菌和乳酸菌的影响

为了确认TiO₂ NPs、高脂饮食以及它们的二元组合对肠道菌群的影响，进一步比较了三组之间的肠道菌群变化，包括非肥胖对照组小鼠与TiO₂ NPs处理的非肥胖小鼠、非肥胖对照组小鼠与肥胖对照组小鼠、非肥胖对照组小鼠与TiO₂ NPs处理的肥胖小鼠。结果显示TiO₂ NPs和高脂肪饮食的二元组合比两者单独更能引起肠道微生物群的变化，即TiO₂ NPs和高脂肪饮食协同作用产生更多的肠道菌群变化。

（2）TiO₂ E171和TiO₂ NPs 降低小鼠盲肠SCFAs（短链脂肪酸）的产生

SCFAs是重要的微生物代谢物，它在宿主健康中发挥着重要作用，肠道微生物群发生变化且SCFAs同时减少与IBD（炎症性肠病）有关。

研究采用气相色谱-火焰电离检测器（GC-FID）检测小鼠盲肠SCFAs，结果如图4，TiO₂ E171和TiO₂ NPs饮食处理降低了小鼠，特别是肥胖小鼠的盲肠SCFAs水平。与低脂饮食喂养的非肥胖对照组小鼠相比，高脂饮食也降低了SCFAs水平。

因SCFAs主要由拟杆菌门和厚壁菌门产生，由此推测TiO₂颗粒引起的SCFAs水平下降可能是由于小鼠体内拟杆菌门丰度下降。

图4 小鼠盲肠SCFAs检测结果

（3）TiO₂ E171和TiO₂ NPs诱导小鼠结肠炎症

由研究结果推测，TiO₂诱导肠道菌群失调进而导致了结肠炎症。为验证这一假设，首先测定了饮食中TiO₂处理后小鼠结肠组织的炎症状态。H&E染色图像及小鼠结肠黏膜组织学评分、流式细胞仪检测结肠黏膜中免疫细胞、ELISA法测定结肠黏膜炎性细胞因子水平等，均发现食源性TiO₂ E171在肥胖小鼠结肠中可以诱发炎症反应。与TiO₂ E171相比，在肥胖小鼠和非肥胖小鼠中，TiO₂ NPs导致结肠炎症反应更强。

图5 ELISA检测炎症细胞因子结果

进一步将结肠黏膜的促炎反应与粪便菌群中各门、属的丰度进行相关性分析。结果表明，在门水平上，拟杆菌门和杆菌门的丰度与促炎反应分别呈负相关和正相关；多种细菌属的丰度与这些促炎反应显著相关。推测TiO₂引起的肠道菌群失调可能是诱发小鼠结肠炎症的原因之一。随后进行的粪便菌群移植研究也证实了此观点。

（4）TiO₂ NPs导致肥胖和非肥胖小鼠的蛋白质组改变

为揭示TiO₂ NPs的整体生物反应机制，采取iTRAQ蛋白定量技术评估四组小鼠肝脏和结肠黏膜的整体蛋白谱。TiO₂ NPs在非肥胖小鼠的肝脏和结肠黏膜中分别筛选出85和64个DEPs（显著差异表达蛋白），在肥胖小鼠肝脏和结肠黏膜中分别筛选出117和145个DEPs。

通路富集显示TiO₂ NPs分别导致非肥胖小鼠肝脏、结肠黏膜以及肥胖小鼠肝脏、结肠黏膜中4、6、9、10条信号通路（图6）。这些结果均表明，与非肥胖小鼠相比，肥胖小鼠中TiO₂ NPs导致了更多的蛋白表达及相关通路的改变，支持了肥胖小鼠更易受到TiO₂ NPs诱导的生物学效应的观点。

图6 TiO₂ NPs导致的DEPs通路富集分析

进一步分析KEGG通路发现，TiO₂ NPs改变了非肥胖小鼠肝脏中的蛋白质消化吸收通路，也改变了肥胖小鼠结肠黏膜中的蛋白质和脂肪消化吸收通路。这些途径有多种DEPs参与，如胰腺三酰基甘油脂肪酶、胆汁盐活性脂肪酶和溶质载体家族15成员1（SLC15A1）。虽然这种抑制脂肪酸转运的分子机制尚不清楚，但此研究结果可能揭示了TiO₂ NPs干扰关键营养素利用的潜在机制。了解TiO₂ NPs对营养物质消化和吸收的影响对于全面了解食品中TiO₂ NPs的安全性至关重要。TiO₂ NPs改变蛋白质组的信息为今后的研究提供了很有价值的科学依据。

该研究首次报道了TiO₂ NPs改变的菌群可直接介导结肠炎症反应。在小鼠肠道微生物组改变和促炎反应方面，TiO₂ E171和TiO₂ NPs的作用趋势相同，但TiO₂ NPs的作用强于TiO₂ E171，可能与其颗粒更小有关；高脂肪饮食喂养的肥胖小鼠更易受到TiO₂诱导的不良影响。该研究为决策者评估食品工业中使用TiO₂的安全性提供了宝贵的科学证据。

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科技君点评

（1）文中iTRAQ蛋白定量部分由华大基因提供，此技术和IBT/TMT均为同位素标记定量，对少量样品研究具有更优的稳定性和重复性。针对大规模样品推荐采用DIA蛋白定量技术，可使其信息采集的全面性及稳定性更佳，能有效提高蛋白质及肽段的检测覆盖度及重复性。

（2）文章结合宏基因组、蛋白组和代谢组等技术对食源性TiO₂的安全性进行了研究。多组学联合比单一组学更全面、系统、深入，是近几年发文的热点思路。针对宏基因组和代谢组这一接连登上CNS级别期刊的关联组合，华大基因近期完成全新升级，可以实现迅速关联数千种代谢物与微生物，全面解析数据之间的逻辑性。

（3）对于宏基因组、蛋白组、代谢组，华大基因均采用云平台交付，“0”生信基础轻松实现数据深度挖掘！

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文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202001858

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