金属ナノ粒子が腸内発酵プロセスに与える影響： in vitro消化・糞便発酵モデルによるメタボローム・メタゲノミクスの統合アプローチ

ハザードマテリアルズ誌
第453巻 2023年7月5日 131331号
研究論文
金属ナノ粒子が腸内発酵プロセスに与える影響： in vitro消化・糞便発酵モデルによるメタボローム・メタゲノミクスの統合アプローチ

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304389423006143?via%3Dihub

The impact of metallic nanoparticles on gut fermentation processes: An integrated metabolomics and metagenomics approach following an in vitro digestion and fecal fermentation model

著者リンク open overlay panelFilippo Vaccari a 1, Leilei Zhang a 1, Gianluca Giuberti a, Alfina Grasso b, Francesca Bandini a, Pascual García-Pérez a d, Chiara Copat b, Luigi Lucini a, Margherita Dall'Asta c, Margherita Ferrante b, Edoardo Puglisi a
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https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.131331Get 権利と内容
アブストラクト
金属ナノ粒子（MNP）は、広く環境汚染物質となりつつあります。現在、いくつかの食品に添加されており、人間の健康に対する懸念が急速に高まっている。本研究では、酸化亜鉛（ZnO）、二酸化チタン（TiO2）、銀（Ag）ナノ粒子（NPs）がヒトの腸内代謝系とマイクロバイオームに与える影響を評価することを目的としています。2つの異なる濃度の各MNPをスパイクした水サンプルを、in-vitro胃腸消化およびin-vitro大腸発酵に供した。処理の効果は、16Sアンプリコンシーケンスとアンターゲットメタボロミクスによって決定された。そして、2つのデータセットを相関させるために、マルチオミクスデータ統合が適用されました。MNPs処理は、Bifidobacterium、Sutterella、Escherichia、Bacteroidesの微生物属を調節した。特に低濃度のAgとZnOは、大腸のタンパク質代謝に関連するインドール誘導体、ペプチド、代謝産物の調節を引き起こした。特に、これらの代謝物は潰瘍性大腸炎や炎症性腸疾患に関与している。すべての濃度のTiO2 NPs処理により、大腸菌の相対量が増加し、B. longumの相対量が減少しました。さらに、TiO2については、プロスタグランジンE2やロイコトリエンB4といったアラキドン酸代謝物の炎症性脂質メディエーターの濃縮が検出された。TiO2を除くすべての金属において、低濃度のNPが分化したプロファイルを促進したことから、MNPの凝集が生体細胞への悪影響を抑えることができることが示唆されました。

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はじめに
金属ナノ粒子（MNP）は、医薬品、医療、電子機器、繊維産業など、さまざまな原因からヒトに暴露される可能性があります。ライフサイクルの終わりには、MNPは環境中に蓄積され、深刻な環境脅威となる可能性があります。幅広い研究により、金属酸化物ナノ粒子（NP）は、植物、藻類、細菌、魚、および哺乳類細胞にも毒性作用を引き起こすことが示されている[67]。NPs の広範な使用と廃棄の結果は，すでに水生環境で観察することができ，MNP の生物濃縮のプロセスは，水産物で研究されてきた [25], [26], [27]．二酸化チタン（TiO2）、銀（Ag）、酸化亜鉛（ZnO）のMNPは、食品産業で商業的に使用される最も一般的なナノ金属の一つであり、現在、特に抗生物質治療と組み合わせて、微生物抵抗のリスクを低減するためにナノ薬物送達システムとしてますます使用されています［30］。ヒトが摂取する主な原因の1つであると同時に、最近公衆衛生上の懸念材料となっているのが、経口経路によるナノ粒子の導入である。市販のTiO2（E171）は、異なるサイズの粒子の混合物であり、そのうち約50％は直径が100 nm未満である。TiO2は、着色料や殺生剤として、ベーカリー製品、スープ、ブロス、ソースなど多くの食品に直接添加されています。ヨーロッパにおける1日のTiO2 NP暴露量は、幼児で1.9～11.5 mg/kg体重（BW）、子供で0.9～12.8 mg/kg体重と推定されている[70]。しかし、食品包装の添加物としてのNPの使用の増加や環境中のNPの存在により、実際の暴露量はもっと大きい可能性があります。2021年5月6日、欧州食品安全機関（EFSA）の安全性評価では、遺伝毒性が懸念されるため、TiO2はもはや安全な食品添加物とみなすことができないと報告された[70]。その結果、EUにおける食品添加物としてのTiO2の禁止が各国加盟国によって承認されました。しかし，TiO2 は現在でも多くの国で食品添加物として一般的に使用されており，食品包装システムは現在このナノマテリアルを利用している[23]．Ag（E174）は、主に着色料や抗菌剤として食品産業で使用されています。市販のナノ粒子では、粒子の97%が直径100 nm未満で、ほとんどが直径40 nm未満である[17]。Ag NPは、食品包装材料の一部として、あるいは食品、特に栄養補助食品、口臭予防のマイクロスイーツ、ベーカリー商品の成分として、いくつかの市販品に含まれています。Agに最も多く暴露される人口集団は子供と青年であり、中程度の摂取量は0.10～2.6 mg/kg BWである[59]。ZnOは食品医薬品局によって一般に安全と認められた成分としてリストアップされており、そのNPは抗菌性食品包装に頻繁に使用されている。ナノフォームのZnO粉末の平均粒径は30 nmから60 nmであり、1%の粒子が30 nmより小さい。EFSAは、ZnOの暴露レベルを<25 mgと評価している[57]。
MNPは、包装材料から食品に移行する可能性があり、その結果、ヒトが直接経口曝露することになる [71], [72]. ナノメータを保持するプラスチックポリマーの特性、NPの性質、および保存される食品の物理的特性によって、NPの移動の効率は影響を受ける可能性がある。例えば、食品マトリックスのpHが低いと、パッケージから食品マトリックスへのAg NPの移動が促進されます [1]。ナノメタルが人体内でどのような運命をたどるのかについては、ナノメタルが水性媒体に溶解したとき、またはナノメタルが物理的構造に直接起因して放出される派生イオンによって効果を発揮する [67]．また、MNPは、粘液を産生する杯細胞やその他の腸上皮細胞に悪影響を及ぼすため、消化管（GIT）のホメオスタシスを修正することが観察されている[28]。さらに、MNPの安定性、凝集、および物理的特性は、GITとの相互作用によって影響を受ける。これは、蠕動運動、pH、胃酵素、食品組成、内因性生化学、および常在菌に対して観察されている［8］。さらに、炎症性腸疾患（IBD）、セリアック病（CD）、潰瘍性大腸炎（UC）に関して、MNPsへの長期曝露の影響が研究されており、この研究は、これらの疾患の症状を悪化させる、あるいは誘発する可能性があることを示唆している [39], [41]. また、セリアック病患者は、疾患進行前に腸内細菌叢の変化を示しており[49]、腸内細菌叢がCDの病因に直接影響を及ぼすことを示唆している。
本研究では、3つの異なるMNPの影響を評価することを目的とした： 本研究では、ZnO、TiO2、Agの3種類のMNPの影響を評価するため、ヒトの体外消化後に腸内代謝とマイクロバイオームをモニタリングし、これらの化合物が腸管に及ぼす影響をさらに明らかにしました。消化は、異なる消化液シミュレーターを使用して行われました。その後、等量のヒト糞便サンプルをプールして得た糞便を用いて、in-vitro大腸発酵を実施した。限られた知識の中で、大腸発酵後の細菌群集と代謝物をプロファイルするために、仮説のないアンターゲットアプローチに基づき、ハイスループット配列決定とメタボロミクスを選択した。さらに、メタボロミクスと16Sアンプリコンシーケンス解析から得られたデータセットを統合し、消化プロセスに対するナノ材料の影響を包括的に解明することを目的としたマルチオミクスデータフュージョンを実施しました。
セクションスニペット
試料の調製とインビトロでの消化・発酵について
水試料に3種類のMNPをそれぞれ2種類の濃度（表1）でスパイクし、インビトロ消化に供した。スパイクは、Nanovision社（Brugherio, MB, Italy）から購入したAg-NPs標準（PELCO® 40 nm, Citrate, NanoXactTM, Ted Pella Inc）、TiO2-NPs標準（TiO2 Nano Powder 60 nm, Rutile, 99.9%, AEM）およびZnO-NPs標準（ZnO-NPs nano powder 30 nm, AEM®, pureity 98.8, Changsha, Honan, China）から行いました。低濃度であったため、平均MNPs
16SアンプリコンシーケンスとPICRUSt2予測解析
分類学的な割り当てでは、99.5%の配列がクラスレベルで正しく分類され、目、科、属のレベルではそれぞれ99.4%、93.8%、88.4%が正しく分類された。種レベルでの割合は57％と低かった。ZnO、TiO2、Agを添加した水と除菌水（ネガティブコントロール）のサンプルでは、93.4%がカバーされており、階層的なクラスタリングにより、全体的に均質であることが示されました。
ディスカッション
MNPは、加工食品の外観や味を改善するために使用される着色および不透明化特性により、食品添加物としてしばしば使用される。MNPへの暴露は、主に経口摂取、吸入、経皮接触によって起こる。最近の研究では、MNPは容易に腸関門を通過し、腸のホメオスタシスに影響を与え、他の臓器に広がり、免疫反応を引き起こすことが確認されている[29]。これらの理由から、3種類のMNP、すなわちZnO、TiO2、およびAgのメタボローム効果を検討した、
結論
本研究では、3種類の異なる濃度の金属NP（TiO2、ZnO、Ag）が、体外消化および糞便発酵後の腸内細菌叢とメタボロームに及ぼす影響を評価するために、マルチオミクスを用いた。特に、低濃度のZnO MNPsと高濃度のTiO2 NPsでは、異なる金属NPsがα多様性の減少を示しました。低濃度のAgとTiO2 MNPsは、大腸菌の相対存在量の増加を引き起こした。
CRediTのオーサーシップ貢献声明
Filippo Vaccari: 概念化、方法論、形式分析、執筆（原案）。張 磊磊(ちょう れい)： 概念化、方法論、形式分析、執筆（原案）。Alfina Grasso: 方法論、形式分析、執筆-レビューと編集。Francesca Bandini: 執筆 - レビューと編集。Pascual García-Pérez：形式分析、執筆-校閲・編集。キアラ・コパット 概念化、形式分析、執筆。ルイジ・ルキーニ 概念化、執筆-レビューと編集、
競合する利害関係の宣言
著者らは、本論文で報告された研究に影響を及ぼすと思われる競合する金銭的利益や個人的な関係がないことを宣言するものである。
謝辞
本研究の一部は、D3.2 2021 funding scheme内のUniversità Cattolica del Sacro Cuoreの助成によるプロジェクト「Impacts of environmental risk factors oncologic, cardiorespiratory and neurodegenerative diseases」によって支援されています。
PGPは、ビゴ大学から「NextGenerationEU」プログラムを通じて欧州連合が支援する「Margarita Salas」助成金を得たことを謝辞する。
参考文献(72)
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