北京大学学报(医学版) ›› 2022, Vol. 54 ›› Issue (3): 468-476. doi: 10.19723/j.issn.1671-167X.2022.03.011
Jia-he ZHANG,Jia-qi SHI,Zhang-jian CHEN,Guang JIA*()
摘要:
目的: 通过消化道微生态体外模拟系统探索纳米二氧化钛(titanium dioxide nanoparticles,TiO2 NPs)对人源肠道菌群组成和结构的影响。方法: 对TiO2 NPs进行粒径、形状、晶型和团聚程度的表征。通过模拟胃、小肠、结肠的液体环境和物理条件建立体外人消化道微生态模拟系统,并对模拟系统的稳定性进行评价。从人粪便中提取菌群,采用该模拟系统稳定培养,分别暴露于0、20、100、500 mg/L TiO2 NPs中,收集染毒24 h后的菌液,通过16S rRNA测序技术分析TiO2 NPs对人源肠道菌群组成和结构的影响,利用线性判别效应量分析(linear discriminant analysis effect size,LEfSe)筛选差异细菌,根据京都基因与基因组百科全书(Kyoto encyclopedia of genes and genomes,KEGG)数据库进行功能预测。结果: TiO2 NPs为球形粒径,直径(25.12±5.64) nm,晶体结构为锐钛矿,在超纯水中水合粒径为(609.43±60.35) nm,Zeta电位为(-8.33±0.22) mV。体外消化道模拟系统培养人源肠道菌群24 h后达到相对稳定状态,肠球菌(Enterococci)、大肠杆菌(Enterobacterium)和乳酸杆菌(Lactobacillus)计数可分别达到(1.60±0.85)×107个、(5.60±0.82)×107个和(2.70±1.32)×107个。16S rRNA测序结果显示,与对照组相比,TiO2 NPs染毒组(20、100和500 mg/L)在门、纲、目、科、属水平上,肠道菌群的物种数量和均匀度未受到明显影响,但部分菌种的相对丰度发生显著变化。TiO2 NPs染毒组(20、100和500 mg/L)与对照组之间共筛选出42种不同的差异细菌(线性判别分析分数,linear discriminant analysis score,LDA score>3),以肠杆菌属(Enterobacter)、拟杆菌科(Bacteroidaceae)、乳酸杆菌科(Lactobacillaceae)、双歧杆菌科(Bifidobacteriaceae)和梭菌属(Clostridium)等为代表。进一步的肠道菌群功能预测分析显示,TiO2 NPs可能影响肠道菌群的氧化磷酸化、能量代谢、磷酸盐和磷酸盐代谢、甲烷代谢等代谢和功能(P < 0.05)。结论: 体外人消化道微生态模拟系统下,TiO2 NPs可以显著改变人源肠道菌群的组成和结构,以肠杆菌属和益生菌为代表,并可能进而影响机体多种物质的代谢和功能。
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