随着科学领域的快速发展，纳米材料在食品、生物医学、药学、化妆品、催化剂和涂料等领域得到了广泛使用^[1-2]。纳米技术中使用的原材料纳米粒子(nanometer particles, NPS)是指三维空间尺寸至少有一维空间的粒径在1~100 nm的物质^[3-4]。纳米颗粒具有粒径小、易吸收特性，在农业生产、食品加工、食品包装、食品保质以及食品添加剂等方面应用广泛^[5]。短链脂肪酸是肠道菌群代谢产物中最主要的标志物之一^[6]。短链脂肪酸多由结肠内厌氧菌利用低聚糖、非淀粉多糖、抗性淀粉等未消化碳水化合物发酵的主要产物，主要包括乙酸、丙酸和丁酸。肠道中不同种属细菌产生的短链脂肪酸种类和数量各不相同，通过检测肠道中短链脂肪酸变化，可以反应肠道中肠道菌群变化^[7]。短链脂肪酸在结肠内不仅能为肠粘膜细胞提供能量，促进细胞代谢、生长，还可降低结肠内环境pH值，减少有害菌生长，防止肠道功能紊乱^[8-9]。有文献报道，短链脂肪酸对儿童学习行为障碍具有保护作用^[10]。本研究以Sprague-Dawley(SD)大鼠为模型，分别灌胃不同剂量的四氧化三铁纳米(nano-Fe₃O₄)颗粒，以逼迫法采集新鲜粪便样品，通过气相色谱法(gas chromatography, GC)测定大鼠肠道内短链脂肪酸含量，探讨nano-Fe₃O₄颗粒对肠道短链脂肪酸的影响，结果报告如下。

5周龄无特定病原(specific pathogen-free，SPF)级SD大鼠60只(雌、雄各半)，常州卡文斯实验动物有限公司(许可证号：SCXK(苏)2011-0003)，体重100~120 g，饲养于安徽医科大学实验动物中心二级动物房内。

nano-Fe₃O₄颗粒、乙酸、丙酸、丁酸标准品和正己酸标准品(美国Sigma公司)，nano-Fe₃O₄颗粒灭菌后，用5%纤维素钠配成粉尘悬液，每次染毒前超声振荡混匀。GC7890型气相色谱(美国安捷伦公司)；Centrifuge5417R小型高速离心机(北京伯乐生命科学发展有限公司)；LE204E型分析天平(上海微川精密仪器有限公司)。

将大鼠随机分为3组，每组20只(雌、雄各半)，分别为对照组(5%纤维素钠)、nano-Fe₃O₄低、高剂量组(37、148 mg/mL)，采用经口灌胃法，按大鼠体重0.5 mL/100 g进行灌胃，每日染毒1次，连续4周，染毒期间，大鼠自由进食和饮水，每周称量大鼠体重1次，并以逼迫法采集新鲜粪便样品，-20℃冰箱保存备用。

染毒期间每天观察各组大鼠一般状态，进食饮水、大便形状，每周体重变化等。

实验结束时，处死大鼠，迅速取部分结肠组织浸入10%福尔马林溶液中，常规脱水、石蜡包埋、切片、苏木精-伊红(hiatoxylin-eosin staining, HE)染色后光镜下观察。

(1)标准曲线制作：配制不同浓度的乙酸、丙酸、丁酸、正己酸(内标)标准溶液后，用带有火焰离子化检测器气相色谱仪进行检测，以峰面积为纵坐标，以浓度为横坐标，绘制标准曲线；(2)色谱条件：色谱柱为FFAP弹性石英毛细管柱(30 m×320μm×1μm)；升温程序：初温80℃，保持3 min，然后以5℃/min升至120℃，保持6 min，载气：氮气，流速20 mL/min；进样口温度：200℃；进样方式：分流进样(分流比10：1)，进样量5.0μL；检测器温度：240℃。数据处理在HP Chi Station气相色谱工作站中进行；(3)样品测定：准确称取粪便样品0.10 g于1.5 mL离心管中；加入600μL去离子水浸泡12 h，12 000 r/min离心15 min，取上清100μL，静置10 min，加入5 mol/L HCl 10μL混匀，进样前加入正己酸(内标)2μL；上气相色谱仪测定。

数据采用x±s表示，利用SPSS 16.0进行统计分析，组间比较采用单因素方差分析，两两比较采用最小显著差法，P < 0.05表示差异有统计学意义。

表 1

表 1 nano-Fe3O4颗粒对雌鼠肠道内短链脂肪酸含量影响(μg/μL，x± s，n=10) 组别(mg/mL) 乙酸 丙酸 丁酸 对照组 1.78±0.59 0.37±0.10 0.12±0.05 nano-Fe3O4 37 1.39±0.45 0.36±0.06 0.05±0.02a 148 1.45±0.33 0.37±0.13 0.06±0.03a F值 1.194 0.020 8.335 P值 0.330 0.980 0.004     注：与对照组比较，a P < 0.05。

表 1 nano-Fe3O4颗粒对雌鼠肠道内短链脂肪酸含量影响(μg/μL，x± s，n=10)

染毒第4周时，与对照组比较，低、高剂量nano-Fe₃O₄组雌性大鼠肠道内丁酸含量明显下降，差异有统计学意义(P < 0.05)；与对照组比较，低、高剂量nano-Fe₃O₄组雌性大鼠肠道内乙酸、丙酸含量无明显变化。

表 2

表 2 nano-Fe3O4颗粒对雄鼠肠道内短链脂肪酸含量影响(μg/μL，x±s，n=10) 组别(mg/mL) 乙酸 丙酸 丁酸 对照组 1.88±0.39 0.59±0.12 0.09±0.02 nano-Fe3O4 37 1.31±0.16a 0.45±0.07 0.09±0.04 148 1.54±0.22a 0.46±0.18 0.04±0.02a F值 6.507 2.150 5.136 P值 0.009 0.151 0.020     注：与对照组比较，a P < 0.05。

表 2 nano-Fe3O4颗粒对雄鼠肠道内短链脂肪酸含量影响(μg/μL，x±s，n=10)

染毒第4周时，与对照组比较，低、高剂量nano-Fe₃O₄组雄性大鼠肠道内乙酸含量明显下降，差异有统计学意义(P < 0.05)；与对照组比较，高剂量nano-Fe₃O₄组雄性大鼠肠道内丁酸含量明显下降，差异有统计学意义(P < 0.05)。

图 1

注：A、B、C：雌鼠对照组、低、高剂量nano-Fe3O4组；D、E、F：雄鼠对照组、低、高剂量nano-Fe3O4组。 图 1 nano-Fe3O4颗粒对大鼠结肠组织病理学影响(HE，×400)

结肠组织HE染色结果显示，对照组大鼠结肠组织黏膜光滑，上皮为单层柱状，腺体排列整齐，结构清晰图(图 1A、D)，高剂量nano-Fe₃O₄组雌鼠和雄鼠部分肠上皮细胞出现空泡变性，杯状细胞排列疏松，柱状吸收细胞减少，腺体排列不整齐(图 1C、F)。

小肠内未被消化吸收的碳水化合物进入大肠后，主要在结肠内被厌氧菌发酵利用，产生短链脂肪酸。短链脂肪酸氧化后成为结肠粘膜细胞的主要能量来源，生物体内的短链脂肪酸主要为乙酸、丙酸和丁酸，约占短链脂肪酸总量的90%~95%。乙酸、丙酸、丁酸在体内代谢途径不同：乙酸是结肠内发酵的主要产物，在机体内，大部分乙酸被吸收入血液，进入肝脏代谢，作为周边组织的能源，主要参与肌肉、肝脏、脾脏、心脏和脑内代谢，是机体从小肠不能吸收的碳水化合物中获取能量的主要途径^[12]；丙酸是拟杆菌门发酵的主要产物，经结肠吸收后主要由肝脏代谢用作能源，并且能够抑制胆固醇的合成^[13]；丁酸是厚壁菌门的主要代谢产物，能被结肠上皮细胞吸收利用，是结肠、盲肠能量的重要来源，可促进结肠上皮代谢和正常细胞生长分化并且可改变多种基因表达^[14]。短链脂肪酸在维持肠道内环境稳定和预防结肠癌等方面具有重要作用。短链脂肪酸的种类和数量主要受发酵底物的数量、种类、降解速率以及宿主生理状态及肠道菌群等因素的影响。

短链脂肪酸可通过影响结肠防御屏障的组分，影响屏障的保护作用，其中丁酸对组分的影响最明显^[15]，主要有促进上皮细胞迁移，构成结肠防御屏障的一个重要组分(覆盖上皮的黏膜层)。Barcelo等^[16]研究表明肠道内给予丁酸，可增加灌胃大鼠结肠的粘液分泌，肠上皮细胞提供了一种高度选择性的屏障，防止有毒物质和炎性分子从外部环境进入到粘膜下层，通透性增加表示肠上皮屏障功能受损。本研究结果显示，nano-Fe₃O₄颗粒对于大鼠肠道内乙酸、丁酸含量有较大影响，不同剂量对大鼠肠道短链脂肪酸的影响有较大差异，高剂量nano-Fe₃O₄颗粒使得大鼠长肠道内短链脂肪酸水平降低，其原因可能与高剂量组大鼠在喂养过程中食欲逐渐降低有关；在第4周各剂量nano-Fe₃O₄对大鼠肠道短链脂肪酸的影响最大。可能与纳米材料可通过血液循环系统进入肝脏，进而造成肝细胞的炎性反应，使肝细胞脂类代谢异常，蛋白质的合成功能减退，影响大鼠对营养物质的代谢和吸收，使机体的生理功能处于紊乱状态有关。本研究结果还显示，相同剂量的nano-Fe₃O₄纳米颗粒对雌鼠、雄鼠肠道内短链脂肪酸影响不同。可能与不同性别间肠道菌群存在差异^[17]有关，但其具体机制有待于进一步研究。