产前二氧化钛纳米颗粒暴露改变大鼠母体肠道菌群并升高空腹血糖

摘要

二氧化钛纳米颗粒（TiO₂ NPs）广泛存在于化妆品、食品添加剂、涂料中，孕妇不可避免接触。其抗菌活性已知，但对妊娠期母体肠道菌群影响尚不清楚。本研究让孕期Sprague-Dawley大鼠暴露于5 mg/kg bw/天 TiO₂ NPs（妊娠第5-18天），监测妊娠第0、10、17天粪便菌群。α多样性指数（Shannon、Simpson、Chao1）对照组与暴露组无显著差异，但β多样性分析显示菌群结构显著改变，暴露后Ellin6075和Dehalobacteriaceae减少、Clostridiales增加。功能推断（PICRUSt）显示第二孕期2型糖尿病相关通路富集、牛磺酸代谢抑制。相应地，妊娠第10天（P<0.05）和第17天（P<0.01）空腹血糖显著升高。研究提示TiO₂ NPs暴露扰动母体肠道微生物组并升高血糖，可能增加人类妊娠糖尿病风险。

引言

二氧化钛纳米颗粒（TiO₂ NPs）是应用最广泛的纳米材料之一，存在于防晒霜、食品添加剂、油墨、涂料中。其微小尺寸促进环境释放并经摄入或吸入进入人体，孕妇暴露不可避免。动物研究将TiO₂ NPs暴露与卵巢功能障碍、单胺神经传递改变、不良妊娠结局相关，但机制知之甚少。值得注意的是TiO₂ NPs具有广谱抗菌活性，引发担忧其可能破坏肠道菌群——该生态系统日益被认可对代谢调节、免疫耐受和妊娠维持至关重要。成年啮齿动物暴露TiO₂ NPs表现高血糖，但孕雌性是否经历类似代谢紊乱、肠道菌群改变是否介导此效应尚不清楚。本研究通过大鼠产前TiO₂ NPs暴露模型，考察肠道菌群动态和空腹血糖，填补这些空白。

材料与方法

研究设计

基于人暴露模型，雌性SD大鼠妊娠第5-18天每日灌胃5 mg/kg bw TiO₂ NPs。对照组给予0.5%甲基纤维素载体。给药前记录体重。

动物

成年SD大鼠（n=16；12周龄雌、14周龄雄）在控温（22±2 °C）、湿度（40-60%）、12小时明暗循环环境饲养。适应后雌雄1:1配对，阴道栓确认妊娠（GD 0.5）。孕雌鼠随机分对照组（n=4）和暴露组（n=4）。

TiO₂ NPs制备与给药

商业TiO₂ NPs（Sigma-Aldrich 13463-67-7）分散于0.5%甲基纤维素（5 mg/ml），超声（100 W, 30 min）。载体中流体动力学直径~199.5 nm（DLS）。

样本采集与DNA提取

GD 0、10、17采集粪便颗粒，-80 °C速冻，PowerSoil试剂盒（Mo Bio）提取总DNA。NanoDrop评估DNA量。

16S rRNA基因测序与生物信息学

扩增V3-V4区，Illumina MiSeq测序。QIIME处理原始读段：拼接、去嵌合体、OTU聚类（97%相似度）、物种注释。计算α和β多样性指标（Shannon、Simpson、Chao1、NMDS）。LefSe（LDA>2）鉴别差异菌群。PICRUSt推断功能潜力，聚焦糖尿病相关通路和牛磺酸代谢。

血糖测量

GD 0、10、17采集12小时禁食尾静脉血，Roche ACCU-CHEK® Performa血糖仪即时测定血糖。

统计分析

GraphPad Prism 6分析数据。单因素方差分析配合Dunnett事后检验评估显著性；P<0.05为显著。

结果与讨论

TiO₂ NPs表征

透射电镜确认近球形颗粒（~21 nm原级直径）。纯度≥99.5%，比表面积35-65 m²/g。这些特征与先前研究一致，指示纳米级TiO₂可升高成年啮齿动物血糖。

正常妊娠期菌群动态

对照组大鼠GD 0、10、17 α多样性（Shannon、Simpson、Chao1）保持稳定（图2a）。NMDS分析未显示按妊娠天数明显聚类（图2b）。Venn图显三时间点共享164 OTU，表明特定菌群渐进获得（图2c）。这与文献报道妊娠期微生物组适度变化一致。

TiO₂ NPs暴露对微生物多样性影响

暴露后α多样性Shannon略增、Simpson指数显著升高（P<0.05）、Chao1无变化（图3a）。NMDS图未显示主要分离，但GD 10和17独特OTU数减少（图3c）。数据提示TiO₂ NPs选择性抑制优势菌群，使先前被抑制微生物扩张——考虑到其广谱抗菌活性，此机制合理。

第二孕期菌群改变

GD 10 α多样性无影响，但NMDS显示对照组与暴露组明显分离（图4b）。LefSe鉴别出Ellin6075丰度降低、Clostridiales增加（图4d）。PICRUSt预测2型糖尿病通路富集、牛磺酸/次牛磺酸代谢减少（图4e）。这些功能变化与肠道菌群调节葡萄糖稳态及牛磺酸降糖作用一致。

晚孕期菌群变化

GD 17 α多样性无变化，但NMDS显示显著组成分歧（图5b）。暴露组OTU计数较低（图5c）。LefSe确认Ellin6075持续耗竭、Dehalobacteriaceae减少（图5d）。此阶段未观察糖尿病相关功能变化，提示第二孕期是代谢紊乱关键窗口期。

空腹血糖结果

与功能预测一致，暴露组GD 10（P<0.05）和GD 17（P<0.01）空腹血糖升高（图5e）。虽GD 17升高幅度（~0.5 mM）未达妊娠糖尿病临床阈值，但指示可测量的代谢扰动，可能影响胎儿发育。

结论

研究证实产前暴露TiO₂纳米颗粒扰动母体肠道菌群——特别减少Ellin6075和Dehalobacteriaceae、增加Clostridiales——并导致妊娠期空腹血糖升高。结果揭示TiO₂ NPs暴露与妊娠糖尿病风险的潜在关联机制，值得在人群进一步研究。