13C同位素标记的原理
13C同位素标记的原理是利用碳-13（13C）这一稳定同位素作为示踪原子，追踪物质在生物或化学系统中的代谢路径与转化过程。与放射性同位素不同，13C无辐射风险，安全性高，广泛应用于医学检测、代谢研究和生态学分析。
- 自然丰度差异：自然界中碳元素主要以12C（约98.89%）和13C（约1.11%）形式存在。通过人为引入高纯度13C标记的化合物（如13C-葡萄糖、13C-尿素），可显著提升目标分子中13C的比例，形成可被仪器识别的“信号峰值”。
- 代谢路径追踪：当生物体摄入13C标记的底物后，该同位素会随代谢反应进入下游产物。
- 检测技术支撑：通过质谱（MS）或红外光谱仪等设备，检测呼出气体、组织提取物或代谢产物中13C/12C比值的变化，从而判断特定代谢通路的活性。
碳基纳米材料（CNMs）与日常生活
由于其独特且多样的特性，碳基纳米材料（CNMs）已被应用于消费品、生物医学和工业等多个领域。大量证据表明，CNMs存在于多种食品（饮料、烤肉和汉堡）、环境介质以及临床认可的口服CNMs药物（石墨烯样结构）。口服摄入是因在粘液清除后吞咽吸入的纳米材料或直接摄入食物/饮料/药物所致。显然，通过口服途径人体肠道接触这些纳米颗粒是不可避免的，这已成为一个非常现实且令人担忧的问题。
肠道微生物群与CNMs发酵的内源有机代谢产物
碳基纳米材料（CNMs）最近在人体中被发现，引发了对其在宿主中不利作用的极大担忧。而肠道微生物群控制的生物过程决定了CNMs(碳基纳米材料)在宿主肠道中的最终命运和不良后果。因此，解决关于肠道微生物介导的生物过程/行为及CNMs有害影响至关重要。然而，碳纳米材料和肠道内的众多组分含有相同的组成元素——碳元素，故传统分析方法无法实现碳纳米材料在肠道内代谢转化过程的精准分析。因此找到了新方法：稳定同位素13C骨架标记与代谢流同位素示踪，溯源了碳纳米材料在肠道微生物内的来龙去脉。
肠道微生物群能将工程化无机碳纳米材料（如单壁碳纳米管、氧化石墨烯）发酵为内源有机代谢产物，如丁酸等短链脂肪酸。通过筛查两种碳纳米材料口服暴露后宿主肠道的代谢产物，发现乙酸和丁酸等短链脂肪酸含量明显升高。
通过稳定同位素13C骨架标记与代谢流示踪技术，解析了完整代谢路径过程：
(1) 口服暴露后，13C标记的氧化石墨烯被肠道微生物降解，再通过13C-丙酮酸途径生成13C-丁酸整个代谢链条的产物（13C-氧化石墨烯→13C-葡萄糖→13C-丙酮酸→13C-乙酸→13C-丁酸）；
(2) 证实了碳纳米材料类似于膳食纤维能够作为碳源被肠道微生物所利用，进行降解发酵，并进入丙酮酸代谢途径，最终生成丁酸的代谢机制。其中，多种关键的微生物代谢酶，包括己糖激酶、丙酮酸激酶、丙酮酸脱氢酶和丁酸激酶等参与碳纳米材料发酵生成丁酸的过程。
(3) 微生物测序揭示产丁酸菌是利用碳纳米材料生成丁酸的优势菌种。
人体肠道拥有复杂的微生物生态系统，这些微生物在代谢、食物消化和清除入侵颗粒/病原体，以及与其他身体器官的积极营养连接中发挥关键作用，从而决定人体健康。CNMs进入肠道后，数万亿微生物既是其第一屏障，也是主要靶点。作为“被遗忘的器官”，肠道微生物群负责从膳食纤维中提取和发酵碳化合物以合成代谢物。CNMs发酵会诱导丁酸盐的升高。丁酸具有多效作用，包括作为结肠细胞的能量源，通过G蛋白偶联受体调节代谢、强化肠道屏障或促进肠道免疫调节。肠道绒毛的完整结构保护干细胞免受丁酸盐的影响。然而，CNMs诱导的肠绒毛被破坏导致碱基内的干细胞失去保护。因此，过量的丁酸盐可以直接作用并抑制肠道干细胞的增殖，因此CNMs对丁酸盐水平的影响足以介导生物效应。
肠道微生物群
肠道微生物群是人体内数量庞大、功能多样的微生物集合体，主要定植于肠道，参与消化、免疫、代谢及神经调节等关键生理过程。它由细菌、真菌、病毒等组成，其中以细菌为主。
肠道微生物群如何影响健康
- 微生物发酵膳食纤维生成短链脂肪酸（如丁酸、乙酸），为肠上皮细胞供能，增强屏障功能。
- 合成人体无法制造的维生素，如维生素K和B族维生素。
- 罗伊氏乳杆菌可改善自闭症小鼠行为；
- 肠道菌群失调与焦虑、抑郁相关。
- 帕金森病：错误折叠蛋白α-synuclein可能起源于肠道，经迷走神经上传至大脑；
- 渐冻症（ALS）：患者体内嗜粘蛋白-艾克曼菌减少，补充后可改善运动能力；
- 肥胖、糖尿病、心血管病：特定菌群结构促进炎症或脂质代谢异常。
