Пранатальное воздействие диоксида титана наночастицами изменяет матную кишечную микробиоту и повышает глюкозу натощак у крыс

Аннотация

Наночастицы диоксида титана (TiO₂ NPs) повсеместны в косметике, пищевых добавках и красках, подвергая беременных женщин неизбежному контакту. Хотя их антибактериальная активность хорошо документирована, влияние на матную кишечную микробиоту во время беременности остается неясным. Мы подвергли беременных крыс линии Sprague-Dawley воздействию 5 мг/кг массы тела/сутки TiO₂ NPs (дни 5–18 гестации) и мониторили кальную микробиоту на днях гестации (GD) 0, 10 и 17. Альфа-индексы разнообразия (Шеннон, Симпсон, Чао1) не отличались значимо между контрольной и экспозированной группами, однако бета-диверситетный анализ كشف выраженные сдвиги сообществ, в частности снижение Ellin6075 и Dehalobacteriaceae и увеличение Clostridiales после экспозиции. Функциональный вывод (PICRUSt) указал на обогащение путей, связанных с сахарным диабетом 2 типа, и подавление тауринового метаболизма во втором триместре. Соответственно, глюкоза натощак значительно выросла на GD 10 (P < 0,05) и GD 17 (P < 0,01). Эти находки предполагают, что экспозиция TiO₂ NPs нарушает матную кишечную микробиоту и повышает уровень глюкозы, потенциально увеличивая риск гестационного диабета у людей.

Введение

Наночастицы диоксида титана (TiO₂ NPs) входят в число наиболее широко используемых наноматериалов, присутствующих в солнцезащитных кремах, пищевых добавках, чернилах и красках [1, 2]. Их малый размер способствует выбросу в окружающую среду и последующему попаданию в организм путем глотания или вдыхания, делая экспозицию неизбежной для беременных женщин. Предыдущие животные исследования связывали экспозицию TiO₂ NPs с овариальной дисфункцией, измененной моноаминергической нейромедиацией и неблагоприятными исходами беременности [3–5]. Однако механизмы, лежащие в основе этих эффектов, остаются плохо понятыми. Особенно TiO₂ NPs демонстрируют широкий спектр антибактериальной активности [6], вызывая опасения, что они могут разрушать кишечную микробиоту — экосистему, все более признаваемую ключевой для метаболического регулирования, иммунной толерантности и поддержания беременности [7–10]. В то время как взрослые грызуны, экспонированные TiO₂ NPs, демонстрируют гипергликемию [11], неизвестно, испытывают ли беременные самки похожие метаболические нарушения или изменения кишечной микробиоты медиаторы таких эффектов. Это исследование закрывает эти пробелы, исследуя динамику кишечной микробиоты и глюкозу натощак в крысьей модели пренатальной экспозиции TiO₂ NPs.

Материалы и методы

Дизайн исследования

Основываясь на модели человеческой экспозиции [12], самкам Sprague-Dawley ежедневно вводили перорально 5 мг/кг массы тела TiO₂ NPs (дни 5–18 гестации). Контроль получали 0,5% метилцеллюлозный вехикул. Масса тела записывалась перед каждой дозой.

Животные

Взрослые крысы SD (n = 16; 12-недельные самки, 14-недельные самцы) содержались при контролируемой температуре (22 ± 2 °C) и влажности (40–60%) с 12-часовым световым/темным циклом. После адаптации самки спаривались с самцами (1:1) и вагинальные пробки подтверждали беременность (GD 0,5). Беременные самки затем случайно распределялись в контрольную (n = 4) или экспозиционную (n = 4) группы.

Подготовка и введение TiO₂ NPs

Коммерческие TiO₂ NPs (Sigma-Aldrich 13463-67-7) диспергировались в 0,5% метилцеллюлозе (5 мг/мл) и ультразвуково обрабатывались (100 Вт, 30 мин). Гидродинамический диаметр в вехикуле составлял ~199,5 нм (ДЛС).

Сбор образцов и извлечение ДНК

Калус собирался на GD 0, 10 и 17, мгновенно заморозка при −80 °C, и общая ДНК изолировалась набором PowerSoil (Mo Bio). Количество ДНК оценивалось NanoDrop.

Секвенирование 16S rRNA гена и биоинформатика

V3-V4 область амплифицировалась и секвенировалась на платформе Illumina MiSeq. Сырые риды обрабатывались в QIIME: слияние, удаление химер, кластеризация OTU (97% сходство), таксономическая аннотация. Альфа и бета метрики разнообразия (Шеннон, Симпсон, Чао1, NMDS) рассчитывались. Дифференциальные таксоны идентифицировались LefSe (LDA > 2). Функциональные потенциалы выводились PICRUSt, фокусируясь на диабет-связанных путях и тауриновом метаболизме.

Измерение глюкозы крови

Голодная венозная кровь (12-часовое голодание) собиралась из хвостовой вены на GD 0, 10 и 17. Уровень глюкозы измерялся немедленно глюкометром Roche ACCU-CHEK® Performa.

Статистический анализ

Данные анализировались в GraphPad Prism 6. Одномерный ANOVA с пост-хок тестом Даннета оценивал значимость; P < 0,05 считалось значимым.

Результаты и обсуждение

Характеристика TiO₂ NPs

TEM визуализация подтвердила почти сферические частицы (~21 нм первичный диаметр). Объявленная чистота ≥99,5% с удельной поверхностью 35–65 м²/г. Эти характеристики согласуются с предшествующими исследованиями, указывающими, что наноразмерный TiO₂ может повышать глюкозу крови у взрослых грызунов [11, 16].

Динамика микробиоты при нормальной беременности

Альфа-разнообразие (Шеннон, Симпсон, Чао1) оставалось стабильным на GD 0, 10 и 17 у контрольных крыс (Рис. 2a). NMDS анализ не показывал четкой кластеризации по дню гестации (Рис. 2b). Венн-диаграммы раскрыли 164 общих OTU среди трех временных точек, указывая на прогрессивный набор специфических таксонов (Рис. 2c). Эти наблюдения согласуются с литературой, сообщающей о modeste сдвигах микробиома во время беременности [21, 22].

Влияние экспозиции TiO₂ NPs на микробное разнообразие

После экспозиции альфа-разнообразие демонстрировало незначительный рост Шеннона и значимый рост индекса Симпсона (P < 0,05), но оставалось неизменным по Чао1 (Рис. 3a). NMDS графики не показывали majeорного разделения, однако число уникальных OTU снижалось на GD 10 и 17 (Рис. 3c). Данные предполагают, что TiO₂ NPs селективно подавляют доминантные таксоны, позволяя ранее подавленным микробам расширяться — правдоподобный механизм, учитывая их широкую антибактериальную активность.

Изменения микробиоты во втором триместре

На GD 10 альфа-разнообразие не затрагивалось, но NMDS раскрывал четкое разделение между контрольной и экспозированной группами (Рис. 4b). LefSe идентифицировал сниженную обилие Ellin6075 и увеличенное Clostridiales (Рис. 4d). PICRUSt предсказал обогащение путей сахарного диабета 2 типа и снижение таурин/гипотаурин метаболизма (Рис. 4e). Эти функциональные сдвиги согласуются с известной ролью кишечных микробов в глюкозной гомеостазе и гипогликемическим эффектом таурина [31, 32].

Изменения микробиоты в позднем триместре

На GD 17 альфа-разнообразие оставалось неизменным, но NMDS указывал на значимое композиционное расхождение (Рис. 5b). Число OTU было ниже у экспонированных крыс (Рис. 5c). LefSe подтвердил устойчивое истощение Ellin6075 и снижение Dehalobacteriaceae (Рис. 5d). Диабет-связанные функциональные изменения не наблюдались на этом этапе, предполагая, что второй триместр — критическое окно для метаболического нарушения.

Результаты глюкозы натощак

Согласовано с функциональными предсказаниями, глюкоза натощак увеличивалась у экспонированных крыс на GD 10 (P < 0,05) и GD 17 (P < 0,01) (Рис. 5e). Хотя рост на GD 17 (~0,5 мМ) не достигал клинических порогов для гестационного диабета [34], он указывает на измеримое метаболическое нарушение, которое может влиять на фетальное развитие [35].

Заключение

Наши находки демонстрируют, что пренатальная экспозиция наночастицам диоксида титана нарушает матную кишечную микробиоту — в частности снижая Ellin6075 и Dehalobacteriaceae, увеличивая Clostridiales — и приводит к повышению глюкозы натощак во время беременности. Эти результаты подсвечивают потенциальный механизм, связывающий экспозицию TiO₂ NPs с риском гестационного диабета, заслуживающий дальнейшего исследования в человеческих популяциях.