食品用酸化チタンは微生物相の生理機能、接着能力、細菌間相互作用に影響を与える可能性がある

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食品・化学物質毒性学
2023年4月5日オンライン公開、113760号
In Press, Journal Pre-proofこれは何だ？
食品用酸化チタンは微生物相の生理機能、接着能力、細菌間相互作用に影響を与える可能性がある： L. rhamnosusとE. faeciumを対象とした研究
Author links open overlay panelF. Bietto a † +, R. Scardaci a + ‡, M. Brovia a +, I. Kokalari b 1, F. Barbero b, I. Fenoglio b, E. Pessione a
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https://doi.org/10.1016/j.fct.2023.113760Get 権利と内容
アブストラクト
食品用酸化チタン（TiO2-FG）は、食品産業で広く使用されている金属酸化物である。最近、欧州食品安全機関は、TiO2-FGは遺伝毒性があるため、食用として安全とは言えないと結論付けたが、腸内細菌叢への影響はまだ完全に解明されていない。我々は、TiO2-FG(0. 125 mg/mL)の乳幼児への影響を調査した。 125mg/mL）のLactobacillus rhamnosus GG（LGG）およびEnterococcus faecium NCIMB10415（Ent）への影響、特に生理的および表現型特性（成長速度、胆汁酸、アンピシリン耐性）、宿主との相互作用（自己凝集、バイオフィルム形成、Caco-2/TC7単層への接着）および他の腸内微生物（病原菌への抗菌活性）を調べた。得られた結果から、TiO2-FGはLGGとEntの両方の成長を変化させ、胆汁耐性（それぞれ62％と34.5％）およびCaco-2/TC7モノレイヤーへの接着（それぞれ34.8％と14.16％）を低下させることがわかった。その他の結果は、厳密に種特異的であった： Entはアンピシリン感受性（14.48%）と自己凝集（38.1%）を低下させ、LGGはバイオフィルム形成（37%）とStaphylococcus aureusに対する抗菌活性（35.73%）を低下させました。これらの結果から、TiO2-FGは内因性及び外因性プロバイオティクスに悪影響を及ぼすことが示唆され、TiO2-FGを食品添加物として使用することに反対する議論に寄与している。

グラフの抄録
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はじめに
二酸化チタン（TiO2）は、食品、化粧品、農業、工学などで広く使われている白色顔料である（Baranowska-Wójcik et al.、2020）。食品添加物として、TiO2は北米ではINS171、ヨーロッパではE171と呼ばれています。この文脈では、食品、特に菓子との光沢剤として典型的に使用される（Mu et al.、2019）。食品グレードのTiO2（TiO2-FG）はまた、適度な抗菌特性を有し、食品の貯蔵寿命を延ばすことができる（Helalら、2021）。消費後、TiO2-FGは消化管に到達し、ヒトの細胞や腸内細菌叢と相互作用することができます。さらに、TiO2は、日焼け止めや歯磨き粉などの化粧品を通じて摂取されることもあります（Wang et al., 2013）。また、魚の消費を通じて、廃水処理場のコロイド中のTi蓄積（27～43 μg/L Ti）の結果として摂取されることもあります（Si et al., 2013）。TiO2-FGは、純度レベルと結晶形を指定する規制基準を満たす必要があるが、大きさは指定できない（欧州委員会規則231/2012/EC、2012）。これは主に硫酸化または塩素化プロセスによって製造され、最終製品は、ナノサイズ範囲の粒子の可変割合を含む、幅広いサイズの粒子で構成されている（Petersら、2014；Verleysenら、2020）。これらのプロセスは、例えば半導体として使用される純粋なTiO2ナノ粒子を得るために報告されている戦略とは異なる（Mir and Salavati-Niasari、2013）。
腸内では、TiO2-FGは小腸の上皮細胞と相互作用し、DNA損傷を引き起こし（Jugan et al., 2012; PetkoviĆ et al., 2011; Shukla et al., 2011）、細胞周期を変化させ、アポトーシスを誘発する（Acar et al., 2015; Coccini et al., 2015; Hu et al., 2011; Valdiglesias et al., 2013）。その潜在的な遺伝毒性により、欧州食品安全機関（EFSA）は最近、TiO2-FGはもはや人間の消費に受け入れられないと裁定し、食品添加物としての使用は欧州で禁止されました（EFSA Panel on Food Additives and Flavourings (FAF) et al., 2021）。また、TiO2-FGが外膜リポ多糖を損傷することにより、常在菌のグラム陰性菌に対して毒性作用を示すことが証明されています（L.-Y. Liu et al.、2016）。しかし、腸内細菌叢に対するTiO2-FGの影響は本質的に未知のままであり、ほとんどの研究は主に大腸菌に焦点を当てている（Zhukovaら、2012；Kumarら、2011；P. Liuら、2010）。
TiO2-FGが腸内生態系の生理的特性にどこまで影響を与え、宿主と他の細菌との相互作用に影響を与え、最終的にディスバイオシスにつながるかは不明である。ヒトの腸内細菌叢は、長期的な安定性と外部からの摂動に対する回復力を示しています（Pessione, 2012）。しかし、微生物叢は、食事、薬物、食品添加物などの環境ストレス要因に敏感であることが証明されています（Karl et al., 2018）。TiO2の食事による摂取量は、成人で0.2～1 mg/kg体重/日と推定されており、子どもは体重が少なく、お菓子の消費量が多いため、最も暴露しやすいグループである（Marucco et al.、2020）。小児はTiO2-FGの経口曝露に対して最も脆弱なグループであるだけでなく、微生物叢の成長と多様化において重要な段階にあるため、腸内細菌叢に対するTiO2-FGの毒性についてさらなる研究が必要である。
本研究では、プロバイオティクス細菌であるLactobacillus rhamnosus GG（LGG）とEnterococcus faecium NCIMB10415（Ent）に、市販のチョコレート20gを摂取した後に腸管に達する濃度を表す0.125 mg/mL TiO2-FGをチャレンジしました（Khan、2019）。LGGは、上皮障害（リーキーガット症候群）、炎症、浸潤、および悪性腫瘍の増殖（Banna et al.、2017）に対して有効な、よく特徴付けられたプロバイオティクス（Nissilä et al.、2017）です。Entは、感染症やディスバイオシスへの対策として評価されているバクテリオシン産生プロバイオティクスであり（Hosseini et al., 2009）、消化器疾患の治療に広く用いられている（Holzapfel et al., 2018）。本研究では、TiO2-FGの曝露によって影響を受ける可能性のある主な生理的/表現型特性（成長パラメータ、胆汁および抗生物質耐性）を分析することを目的としています。さらに、これらの菌株の他の腸内細菌との相互作用挙動（増殖干渉）および宿主との相互作用挙動（自己凝集、バイオフィルム形成、接着に基づく）についても調査しました。その結果、細菌はTiO2-FGを感知し、種によって異なるが、それに応じて生理機能や相互作用行動を変化させることができることが示唆された。
セクションの抜粋
TiO2試料の物理化学的特性
TiO2-FG E171は、Kronos社から入手した（KRONOS 1171 Titanium Dioxide E 171, Kronos, Dallas, TX, USA）。
マイクロメートルの範囲でのサイズ分布。分析は、高倍率対物レンズユニットを備えたSysmex FPIA3000アナライザーを用いて行った。高倍率フィールド（2×2次レンズ）を適用した。サンプルは、二重ろ過したMilli-Q水（10mg/mL）に分散して測定した。測定中、粒子の沈降を避けるため、試料は常に攪拌されながら、無
TiO2試料の物理化学的特性
このサンプルは、結晶構造、比表面積（SSA）、元素組成、粒径を分析しました。同社が提供したデータシートによると、TiO2-FGは食品の着色用に認可されたアナターゼ顔料であるため、純度の面で安全規制と基準を満たす必要があります。マイクロXRF分析でこれを確認し、低量の不純物（7.5%未満、表1）が存在することを明らかにした。XRD分析（表1）により、100％アナターゼ型からなる試料であることが判明しました。また
ディスカッション
ヒト細胞に対するTiO2-FGの遺伝毒性に関する最近の証拠（EFSA Panel on Food Additives and Flavourings (FAF) et al., 2021）に加え、腸内細菌に対するTiO2-FGの有害作用の可能性に関する証拠が増えている（Khan、2019； L.-Y. Liu et al., 2016）．動物実験では、摂食によるTiO2曝露が、微生物叢の組成や免疫、炎症、酸化ストレス、代謝などの微生物叢に関連する機能を変化させる可能性があることが明らかになりました（Rinninella et al.、2021）。一方、現在の
結論
食品毒性学では、食品由来の粒子がヒトの腸内細菌叢に与える影響を研究することに関心が高まっている。マイクロ・ナノ材料の抗菌効果は、単一細胞レベルでの微生物叢の組成と代謝活性の両方を変化させ、宿主の健康に影響を与える可能性があります。
本研究で得られた証拠は、TiO2-FGによる処理が、L. rhamnosus GGとE. faecium NCIMB10415の主なプロバイオティクス機能にマイナスの影響を与えたことを示しています。この食品
ファンディング
トリノ大学（地元研究費60％）は、本プロジェクトを支援しました。
未掲載の参考文献
アレッサンドロら、2016年、モルデウスら、2021年
CRediTのオーサーシップ貢献声明
F. Bietto：データキュレーション、形式分析、調査、方法論、視覚化、執筆（原案）、執筆（レビュー＆編集）。R.スカルダチ データキュレーション、形式分析、調査、方法論、視覚化、執筆-レビューと編集。M. Brovia： データキュレーション、形式分析、調査、方法論、可視化、執筆（原案）。I. Kokalari: データキュレーション、方法論、概念化、資金獲得、スーパービジョン、執筆-レビュー＆編集。F.
競合する利益に関する宣言
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
支援を受けたトリノ大学、原稿を校正してくれたOrla Cooneyに感謝の意を表します。
参考文献(72)
Lyudmila V. Zhukova et al.
TiO2ナノ粒子は、酸性条件下でUV照射を行わない場合、大腸菌の細胞分裂を抑制する
コロイド・サーフ B バイオインターフェイス
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ジェラルド・D・ライト
抗生物質に対する細菌の耐性：酵素による分解と修飾
Adv. Drug Deliv. Rev.
(2005)
ヴァネッサ・バルディグレシアス他
2種類の二酸化チタンナノ粒子のヒト神経細胞への影響に関する比較研究
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Ritesh K. Shukla et al.
ヒト表皮細胞における二酸化チタンナノ粒子による活性酸素を介した遺伝毒性について
トキシコール(Toxicol) ビトロ
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R. Scardaci et al.
Enterococcus faecium NCIMB10415はノルエピネフリンに応答し、タンパク質プロファイルと表現型特性を変化させる
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Dakrong Pissuwan et al.
金ナノ粒子の薬物・遺伝子デリバリーへの応用が控えている システム
ジャーナル・オブ・コントロール・リリース、日本におけるDDS研究の最新動向
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コロイド・サーフ B バイオインターフェイス
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三脚型テトラアミン配位子を錯化剤として用いた2段階ゾルゲル法によるTiO2ナノ粒子の調製と色素増感型太陽電池への応用
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Li-Ying Liuら。
二酸化チタンナノ粒子の腸内常在菌への影響
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(2016)
参考文献をもっと見る
引用元: (0)
おすすめ記事 (0)
†
現住所 Teagasc Food Research Center, Food Bioscience Department, Moorepark, Fermoy, Co. Cork, Ireland, P61 NP77.
‡
現住所 トリノ大学分子生物工学・健康科学科、分子生物工学センター、Via Nizza 52, Torino, Italy.
1
現住所 デルフト工科大学化学工学部 Van der Maasweg 92629 HZ DELFT, The Netherlands.
+
これら3人の著者は等しく貢献しています。
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