Paparan Pra-natal Nanopartikel Dióksida Titanium Mengubah Mikrobiota Usus Ibu dan Meningkatkan Glukosa Darah Puasa pada Tikus
Abstrak
Nanopartikel dioksida titanium (TiO2 NPs) umum dalam kosmetik, aditif makanan, dan cat, mengekspos wanita hamil pada kontak yang tidak dapat dihindari. Meskipun aktivitas antibakteri mereka sudah terdidokumentasi dengan baik, dampaknya pada mikrobiota usus ibu selama kehamilan masih tidak jelas. Kami mengekspos tikus Sprague‑Dawley hamil pada 5 mg/kg bw/hari TiO2 NPs (hari 5–18 kehamilan) dan memantau mikrobiota feces pada hari kehamilan (GD) 0, 10 dan 17. Indeks alpha‑diversitas (Shannon, Simpson, Chao1) tidak berbeda secara signifikan antara grup kontrol dan yang diekpos, namun analisis beta‑diversitas mengungkapkan pergeseran komunitas yang berbeda, khususnya penurunan Ellin6075 dan Dehalobacteriaceae serta peningkatan Clostridiales setelah eksposi. Inferensi fungsional (PICRUSt) menunjukkan pengayaan jalur terkait diabetes tipe 2 dan penindahan metabolisme taurin selama trimester kedua. Secara sesuai, glukosa darah puasa meningkat secara signifikan pada GD 10 (P < 0.05) dan GD 17 (P < 0.01). Temuan ini menyiratkan bahwa paparan TiO2 NP mengganggu mikrobioma usus ibu dan meningkatkan kadar glukosa, yang berpotensi meningkatkan risiko diabetes kehamilan pada manusia.
Pendahuluan
Nanopartikel dioksida titanium (TiO2 NPs) termasuk nanomaterial yang paling banyak digunakan, hadir dalam tabir surya, aditif makanan, tinta, dan cat [1, 2]. Ukuran kecilnya memfasilitasi rilis ke lingkungan dan kemudian penyerapan atau hirupan, membuat paparan tidak dapat dihindari bagi wanita hamil. Studi hewan sebelumnya telah menghubungkan paparan TiO2 NP dengan disfungsi ovari, transmisi neurotransmisor monoaminer yang berubah, dan hasil kehamilan yang buruk [3–5]. Namun, mekanisme yang mendasari efek ini masih kurang dipahami. Secara menonjol, TiO2 NPs menunjukkan aktivitas antibakteri spektrum lebar [6], yang menimbulkan kecemasan bahwa mereka mungkin mengganggu mikrobiota usus—ekosistem yang increasingly diakui sebagai penting untuk regulasi metabolisme, toleransi imun, dan pemeliharaan kehamilan [7–10]. Sementara tikus dewasa yang diekpos pada TiO2 NPs menunjukkan hiperglikemia [11], tidak diketahui apakah wanita hamil mengalami gangguan metabolisme yang sama atau apakah perubahan mikrobiota usus memediasi efek tersebut. Studi ini mengatasi kesenjangan ini dengan memeriksa dinamika mikroba usus dan glukosa puasa dalam model tikus paparan TiO2 NP pra-natal.
Material dan Metode
Desain Studi
Berdasarkan model paparan manusia [12], tikus Sprague‑Dawley betina menerima gavage oral harian 5 mg/kg bw TiO2 NPs (hari 5–18 kehamilan). Kontrol menerima kendaraan metilcelulosa 0,5%. Berat badan dicatat sebelum setiap dosis.
Hewan
Tikus SD dewasa (n = 16; betina 12 minggu, jantan 14 minggu) dipelihara di bawah suhu terkontrol (22 ± 2 °C) dan kelembaban (40–60%) dengan siklus cahaya/gelap 12 jam. Setelah aklimatisasi, betina dipasangkan dengan jantan (1:1) dan plug vagina mengonfirmasi kehamilan (GD 0.5). Betina hamil kemudian diacak secara acak ke dalam grup kontrol (n = 4) atau paparan (n = 4).
Persiapan dan Administrasi TiO2 NP
TiO2 NP komersial (Sigma‑Aldrich 13463‑67‑7) dispersi dalam metilcelulosa 0,5% (5 mg/ml) dan sonikasi (100 W, 30 menit). Diameter hidrodinamik dalam kendaraan ~199,5 nm (DLS).
Pengumpulan Sampel dan Ekstraksi DNA
Pelet feces dikumpulkan pada GD 0, 10 dan 17, dibeku sejuk pada −80 °C, dan total DNA diisolasi dengan kit PowerSoil (Mo Bio). Kuantitas DNA dievaluasi melalui NanoDrop.
Sequencing Gen 16S rRNA dan Bioinformatika
Wilayah V3‑V4 diamplifikasi dan di-sequence pada platform Illumina MiSeq. Bacaan mentah diproses dalam QIIME: penggabungan, penghapusan chimera, klasterisasi OTU (97% similaritas), dan penugasan taksonomi. Metrik alpha dan beta diversitas (Shannon, Simpson, Chao1, NMDS) dihitung. Takson berbeda diidentifikasi oleh LefSe (LDA > 2). Potensi fungsional diinfere dengan PICRUSt, dengan fokus pada jalur terkait diabetes dan metabolisme taurin.
Pengukuran Glukosa Darah
Darah puasa vena (puasa 12 jam) dikumpulkan melalui vena ekor pada GD 0, 10 dan 17. Tingkat glukosa diukur segera menggunakan glukometer Roche ACCU‑CHEK® Performa.
Analisis Statistik
Data dianalisis dengan GraphPad Prism 6. One‑way ANOVA dengan uji post‑hoc Dunnett menilai signifikansi; P < 0,05 dianggap signifikan.
Hasil dan Pembahasan
Karakterisasi TiO2 NP
Citra TEM mengonfirmasi partikel hampir bola (~21 nm diameter primer). Kehalaran yang dilaporkan ≥99,5% dengan luas permukaan 35–65 m2/g. Karakteristik ini selaras dengan studi sebelumnya yang menunjukkan bahwa TiO2 berukuran nano dapat meningkatkan glukosa darah pada tikus dewasa [11, 16].
Dinamika Mikrobiota Selama Kehamilan Normal
Diversitas alpha (Shannon, Simpson, Chao1) tetap stabil pada GD 0, 10 dan 17 pada tikus kontrol (Gambar 2a). Analisis NMDS tidak menunjukkan klasterisasi yang jelas berdasarkan hari kehamilan (Gambar 2b). Diagram Venn mengungkapkan 164 OTU bersama antara tiga titik waktu, yang menunjukkan akuisisi progresif dari takson tertentu (Gambar 2c). Pengamatan ini selaras dengan laporan yang menunjukkan pergeseran mikrobioma yang modest selama kehamilan [21, 22].
Dampak Paparan TiO2 NP pada Diversitas Mikroba
Setelah paparan, diversitas alpha menunjukkan kenaikan ringan pada Shannon dan kenaikan yang signifikan pada indeks Simpson (P < 0,05) tetapi tetap tidak berubah pada Chao1 (Gambar 3a). Plot NMDS tidak menunjukkan pemisahan utama, namun jumlah OTU unik menurun pada GD 10 dan 17 (Gambar 3c). Data menunjukkan bahwa TiO2 NP secara selektif menekan takson dominan, memungkinkan mikroba yang sebelumnya ditekan untuk berkembang—mekanisme yang wajar mengingat aktivitas antibakteri spektrum lebarnya.
Perubahan Mikrobiota Trimester Kedua
Pada GD 10, diversitas alpha tidak terpengaruh, namun NMDS mengungkapkan pemisahan yang jelas antara grup kontrol dan paparan (Gambar 4b). LefSe mengidentifikasi penurunan keberadaan Ellin6075 dan peningkatan Clostridiales (Gambar 4d). PICRUSt memprediksi pengayaan jalur diabetes tipe 2 dan penurunan metabolisme taurin/hipotaurin (Gambar 4e). Pergeseran fungsional ini selaras dengan peran yang diketahui mikroba usus dalam homeostasis glukosa dan efek hipoglisemik taurin [31, 32].
Perubahan Mikrobiota Trimester Akhir
Pada GD 17, diversitas alpha tetap tidak berubah, namun NMDS menunjukkan divergensi komposisi yang signifikan (Gambar 5b). Jumlah OTU lebih rendah pada tikus paparan (Gambar 5c). LefSe mengonfirmasi depleksi yang berkelanjutan Ellin6075 dan pengurangan Dehalobacteriaceae (Gambar 5d). Tidak ada perubahan fungsional terkait diabetes yang diamati pada tahap ini, yang menyiratkan trimester kedua adalah jendela kritis untuk gangguan metabolisme.
Hasil Glukosa Darah Puasa
Konsisten dengan prediksi fungsional, glukosa puasa meningkat pada tikus paparan pada GD 10 (P < 0,05) dan GD 17 (P < 0,01) (Gambar 5e). Meskipun kenaikan pada GD 17 (~0,5 mM) tidak mencapai ambang klinis untuk diabetes kehamilan [34], ini menunjukkan gangguan metabolisme yang dapat diukur yang dapat mempengaruhi perkembangan janin [35].
Kesimpulan
Temuan kami menunjukkan bahwa paparan pra-natal nanopartikel dioksida titanium mengganggu mikrobiota usus ibu—khususnya mengurangi Ellin6075 dan Dehalobacteriaceae, meningkatkan Clostridialis—dan mengakibatkan kenaikan kadar glukosa darah puasa selama kehamilan. Hasil ini menyoroti mekanisme potensial yang menghubungkan paparan TiO2 NP dengan risiko diabetes kehamilan, yang memerlukan penyelidikan lebih lanjut pada populasi manusia.
