食品添加剂E174中银纳米颗粒的毒性与归宿：肠道上皮细胞效应的线粒体动力学机制

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Toxicity and fate of silver nanoparticles from the food additive E174: mitochondrial dynamics underlie their effects in intestinal epithelial cells

　　

研究人员针对食品添加剂E174中银纳米颗粒（AgNPs）的安全性认知不足问题，对比分析了从市售含E174糖果中提取的E174-AgNPs与聚乙烯吡咯烷酮包被AgNPs（PVP-AgNPs）的毒性特征。通过在人结肠腺癌Caco-2细胞模型中开展研究，结合理化表征与细胞内命运分析，发现两种AgNPs均诱导时间与浓度依赖性的细胞膜损伤。研究观察到氧化应激适应性反应，表现为血红素氧合酶1（HMOX1）等基因表达改变，同时伴随线粒体稳态与功能异常，具体体现为线粒体足迹与网络形态变化。扫描透射电子显微镜-能量色散X射线光谱（STEM-EDX）定性分析显示，暴露24小时后，转化后的E174-AgNPs定位于内体/自噬溶酶体中，其附近胞质中存在数纳米大小的含银颗粒，最终导致线粒体肿胀与破裂。与此同时，线粒体网络形态增强的现象提示剩余线粒体可能启动代偿性响应。该研究通过对比E174-AgNPs与PVP-AgNPs的毒性特征，强调亟需重新评估食品添加剂E174的安全性，并指出全面深入解析AgNPs理化特性对精准开展危害与风险评估的重要性。

研究背景与意义

银纳米颗粒（AgNPs）因优异的抗菌性能被广泛应用于化妆品、纺织品及食品包装等领域，其中食品添加剂E174（银箔）常用于糖果包衣。欧洲食品安全局（EFSA）在2016年与2025年的评估报告中明确指出，现有数据无法支持E174的安全性判定，核心缺口包括粒径分布不明、纳米颗粒定量困难、银离子（Ag⁺）释放动力学不清及毒理学研究材料表征不足。既往AgNPs毒理学研究多聚焦于非食品来源的球形颗粒，其核心机制涉及氧化应激、线粒体功能障碍及炎症反应，但食品来源AgNPs的肠道暴露风险尚未得到系统验证。本研究首次将E174-AgNPs的理化转化特征与肠道细胞毒性机制关联，填补了食品纳米材料安全性评估的关键空白，发表于《Journal of Hazardous Materials Advances》。

关键技术方法

研究人员从市售含E174糖果中提取AgNPs，并以PVP-AgNPs为参照，通过扫描透射电子显微镜-能量色散X射线光谱（STEM-EDX）与动态光散射（DLS）完成理化表征。采用人结肠腺癌Caco-2细胞构建体外肠道模型，设置5小时与24小时两个暴露时间点，通过乳酸脱氢酶（LDH）释放实验与MTT法评估细胞活力，实时荧光定量PCR（RT-qPCR）检测氧化还原相关基因表达，过氧化氢（H₂O₂）试剂盒量化活性氧水平，线粒体追踪染色结合共聚焦显微镜与MiNA工具分析线粒体网络形态，并通过STEM-EDX与透射电子显微镜（TEM）观察细胞内颗粒定位与超微结构损伤。

研究结果

3.1 E174-AgNPs的理化性质

STEM-EDX分析显示E174-AgNPs在水相中呈球形至椭圆形，最小费雷特直径（Feret min）为37-38 nm，PVP-AgNPs为23 nm。DLS结果显示，E174-AgNPs在水相中Z平均流体力学直径为158.9 nm，zeta电位为-7.59 mV；进入细胞培养基后发生显著团聚，24小时时Z平均直径增至2540 nm，远高于PVP-AgNPs的887.4 nm，表明食品源AgNPs在生理环境中稳定性更低。

3.2 E174-AgNPs与PVP-AgNPs诱导的细胞毒性及氧化还原变化

暴露24小时后，128.7 μg/mL E174-AgNPs与PVP-AgNPs分别导致34.9%与27.8%的细胞膜损伤，代谢活性下降43.4%，且呈浓度依赖性；5小时暴露未观察到明显毒性。基因表达分析显示，两种颗粒均显著上调血红素氧合酶1（HMOX1）与NADPH氧化酶1（NOX1），下调过氧化氢酶（CAT1）与谷胱甘肽过氧化物酶1（GPX1），金属转运蛋白基因ATOX1与二价金属转运蛋白1（DMT1/SLC11A2）表达亦显著降低。H₂O₂检测未发现水平升高，提示氧化应激信号可能在更早阶段激活。

3.3 E174-AgNPs与PVP-AgNPs对线粒体足迹及网络形态的影响

暴露5小时，PVP-AgNPs使线粒体足迹增加约25%，E174-AgNPs则降低分支长度与网络分支数；暴露24小时，E174-AgNPs导致线粒体足迹减少14.6%-25.8%，线粒体DNA含量同步下降，而两种颗粒均显著增加线粒体分支长度，低浓度下网络分支数增加，提示早期线粒体碎片化与晚期融合代偿的动态变化。

3.4 E174-AgNPs的摄取、转化及细胞内损伤分析

STEM-EDX显示，24小时暴露后E174-AgNPs主要定位于内体/自噬溶酶体，部分解离为数纳米的含银颗粒释放至胞质。TEM超微结构观察证实，暴露组细胞线粒体出现肿胀、嵴断裂及电子致密磷酸钙沉淀，胞质空泡化与内体/自噬溶酶体增多，直接验证了线粒体损伤与细胞退行性变。

讨论与结论

讨论部分指出，E174-AgNPs通过内吞途径进入细胞后，在酸性溶酶体环境中发生转化，部分Ag⁺释放并与硫物种结合形成Ag₂S，该过程可能通过调控离子释放影响毒性。线粒体是核心靶细胞器，早期氧化应激诱导线粒体碎片化与潜在线粒体自噬，后期存活细胞通过线粒体融合增强网络复杂性以维持能量供应，但持续暴露仍导致线粒体DNA丢失与超微结构不可逆损伤。研究强调，食品基质与包被差异导致的理化特性变化是毒性异质性的关键来源，现有体外高浓度暴露结果虽不能直接等同于膳食风险，但揭示了E174-AgNPs潜在的肠道细胞毒性机制。

结论部分明确，E174-AgNPs与PVP-AgNPs在Caco-2细胞中表现出相似的时间与浓度依赖性毒性，核心机制涉及HMOX1介导的氧化应激响应与线粒体动力学紊乱。E174-AgNPs在胞内转化为溶酶体内大颗粒与胞质纳米级含银颗粒，共同驱动线粒体肿胀破裂，而剩余线粒体的网络重构则是代偿性生存反应。该研究为食品添加剂E174的危害识别与风险评估提供了关键的机制性证据，支持对该类物质开展更严格的监管审查。