烧焦的食物与作为纳米材料的碳点
碳点（CD）是一种新兴的碳基纳米材料，其直径通常<10nm，在许多应用中都展现出了优异的性质。自从发现CD以来，研究主要集中在CD的制备和应用上，而忽略了其潜在的医疗风险。由于食物成分在高温下容易碳化，烹饪过程中会产生食源性CD；在饮料、烘焙食品和烤肉中这一现象尤为普遍。体内和体外研究表明，CD会导致某些不良影响，如细胞活力降低、细胞凋亡、细胞周期中断和代谢应激。尽管如此，暴露于慢性食源性CD与葡萄糖代谢之间的关系仍不清楚。
烧焦的食物（来源：网络）
肠-肝轴与糖代谢紊乱
肠道粘液层是肠道屏障的重要组成部分，其通过将免疫系统与肠道微生物群隔离，确保宿主免疫稳态。而肝脏是胰岛素的重要靶器官，在葡萄糖稳态中起主导作用。在肠道和肝脏之间，可通过胆道、门静脉和循环紧密相连。肠-肝轴理论认为，肠道屏障受损会导致肠源性微生物和内毒素进入肝门静脉，从而激活炎症途径，导致无法恢复的代谢紊乱。因此，外源性刺激通过肠-肝轴引起的糖代谢紊乱的潜在机制值得进一步研究。
食源性碳点诱导糖代谢紊乱
近期，哈尔滨工业大学顾宁教授等人阐释了慢性CD暴露可通过破坏小鼠的肠-肝轴导致葡萄糖代谢紊乱。该研究通过基因测序分析揭示了，CD暴露降低了有益细菌（拟杆菌、Coprococcus和S24-7）的丰度，增加了有害细菌（变形杆菌、示波螺旋体、脱硫弧菌科和瘤胃球菌科）的丰度以及厚壁菌门/拟杆菌门比率。通过对比无肠道菌群小鼠和有肠道菌群小鼠可发现，暴露于CD小鼠出现胰岛素抗性的原因在于肠道菌群紊乱和肠道粘液层的破坏。相关工作以“Foodborne Carbon Dot Exposure Induces Insulin Resistance through Gut Microbiota Dysbiosis and Damaged Intestinal Mucus Layer”为题发表在ACS Nano。
【文章要点】
在这项研究中，作者用CD悬浮液口服处理小鼠14周，并添加了益生菌补充组作为对照组，以研究食源性CD暴露对葡萄糖稳态的影响。粪便微生物群移植（FMT）是一种通过将供体粪便中的细菌混合物移植到受体胃肠道来引入肠道菌群的方法。这是验证饮食诱导的病理状态中肠道微生物群失调的病理作用的有效方法。此外，抗生素可有效消除肠道菌群，从而扭转肠道微生物群失调的不利影响。如图1所示，作者首先揭示了，由于能够引发ROS过度产生、氧化应激、炎症和细胞凋亡，摄入的CD损害了葡萄糖稳态并导致肝损伤。相反地如果及时补充益生菌则能逆转损伤恢复健康（图1）。
图1 暴露CD对糖代谢稳态和肝功能的影响
由于大量的研究已经表明，肠道微生物群在饮食诱导的Ⅱ型糖尿病（T2DM）中起着重要作用。因此，在该项研究中，为了进一步探讨CD对肠道微生物群的影响，作者使用小鼠结肠内容物进行了16s rRNA基因测序。结果发现，在门水平上，CD小鼠中微生物组所发生的明显改变，如拟杆菌丰度降低、F:B比率增加、变形杆菌丰度增加和副球菌丰度降低，与全身炎症或代谢综合征相关。其中，类杆菌能改善炎症，对代谢功能障碍有有益的影响。其中，CD所增加的F:B比率达到了2倍以上，这是饮食诱导的代谢紊乱（肥胖、高血糖和IR）的肠道微生物标志。此外，在本研究中，CD组中检测到较高丰度的瘤胃球菌科和较低丰度的S24-7。其中，瘤胃球菌科属于厚壁菌门，具有炎症活性，在妊娠期糖尿病患者中大量存在，而拟杆菌家族S24-7则可改善代谢综合征患者的生理功能。更引人注目的是，口服CD增加了脱硫弧菌科硫酸盐还原细菌的相对丰度，这些细菌能够产生硫化氢（H2S）和LPS，与其他肠道细菌相比，其内毒素活性升高1000倍，是全身炎症的主要驱动力。最后，多项研究已经表明，个体的慢性全身炎症将有助于T2DM的发展。值得注意的是，饮食益生菌则可恢复CD引起的微生物群组成的变化（图2）。
图2 暴露CD对肠道菌群的影响
从机理上讲，增加的促炎细菌会释放内毒素脂多糖，而内毒素脂多糖则通过TLR4/NFκB/MAPK信号通路诱导小鼠肠道炎症和肠粘液层破坏，激活全身炎症并诱导肝脏胰岛素抵抗。此外，益生菌几乎可完全逆转上述这些变化。CD暴露小鼠的粪便微生物群移植导致受体小鼠的葡萄糖不耐受、肝功能受损、肠粘液层损伤、肝脏炎症和胰岛素抵抗。然而，暴露于CD的微生物群耗竭小鼠的这些生物标志物水平与微生物群耗竭对照小鼠一致，这表明肠道微生物群失调是导致CD诱导的炎症介导的胰岛素抵抗的原因（图3）。
图3 CD暴露通过影响肠-肝轴扰乱葡萄糖代谢
【结论与展望】
作者最后介绍道，T2DM是一种严重的疾病，尤其是在发展中国家。最近的研究已经表明，饮食诱导的T2DM与肠粘液层、肠道微生物及其相互作用密切相关。上述工作表明，长期口服食源性CD会导致肠道微生物群失调，并破坏肠道屏障，进而导致全身炎症和糖代谢紊乱，益生菌的保护作用则可使其恢复。此外，这些发现支持了改善肠道微生物群作为治疗饮食诱导的T2DM的潜在策略的可能性。
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