《Food and Chemical Toxicology》：Methylglyoxal exposure at dietary-relevant concentrations induces cognitive deficits through dopaminergic damage system and metabolic perturbation in zebrafish larvae
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摘要本研究利用斑马鱼幼鱼为模型，探讨了膳食相关浓度下甲基乙二醛（MGO）暴露对认知功能的影响及其潜在机制。行为学评估表明，MGO诱导了剂量依赖性的认知损伤，中剂量组和高剂量组的空间记忆和运动活动显著降低。机制研究发现，MGO引发了显著的氧化应激，表现为抗氧化酶活性受抑制（高剂
摘要
本研究利用斑马鱼幼鱼为模型，探讨了膳食相关浓度下甲基乙二醛（MGO）暴露对认知功能的影响及其潜在机制。行为学评估表明，MGO诱导了剂量依赖性的认知损伤，中剂量组和高剂量组的空间记忆和运动活动显著降低。机制研究发现，MGO引发了显著的氧化应激，表现为抗氧化酶活性受抑制（高剂量组中超氧化物歧化酶SOD和过氧化氢酶CAT分别降低约30%和28%）以及脂质过氧化水平升高（丙二醛MDA增加3.5倍）。这些变化伴随着多巴胺系统损伤，包括神经递质耗竭（高剂量组多巴胺水平降至0.27±0.01 μg/g蛋白）和神经元变性（神经元密度降低39%）。代谢组学分析在所有组别中鉴定出37种差异代谢物，在甘油磷脂代谢通路中显著富集。本研究发现建立了一条完整的机制通路，即MGO暴露通过氧化应激介导的多巴胺损伤和代谢失调导致认知缺陷，提示膳食羰基化合物可能存在潜在的神经毒性风险，并强调需要进一步开展机制研究和转化研究。本研究为食品安全评估提供了初步的毒理学基础，同时承认在高脊椎动物系统中进行验证对于人类风险评估至关重要。
引言
认知障碍患病率的不断上升代表着一个重大的全球公共卫生挑战（Nichols等，2022）。虽然遗传易感性和衰老是已确立的风险因素，但越来越多的证据强调了环境和膳食暴露调节脑健康的核心作用（Manuello等，2024；Smith等，2024）。特别是，反应性羰基物种（RCSs）——一类在体内生成或在食品系统中产生的高活性化合物——正逐渐被认为是神经功能障碍的潜在风险因素（Berends等，2025；Lee & Yoo，2025）。在这些化合物中，甲基乙二醛（MGO）作为一种强效α-二羰基化合物，引起了科学界极大的关注。
MGO作为糖酵解的副产物在体内自然形成（Berends等，2025）。然而，膳食是外源性暴露的主要来源。MGO在原料中含量并不显著，而是在食品加工和储存过程中通过几条主要途径产生的：还原糖与氨基酸之间的Maillard反应（尤其是在烘焙和烘烤等高温条件下）、糖的自氧化和降解，以及在较小程度上的油加热过程中的脂质过氧化（Eggen & Glomb，2021；Zheng等，2021）。这些形成途径使MGO广泛存在于各种常见的食品和饮料中（Kim等，2021；Zheng等，2021）。报道的浓度差异极大，从麦卢卡蜂蜜中的极高含量（高达700 mg/kg或更高，通常按其MGO含量分级）和咖啡（例如espresso中高达230 μmol/L），到商业饮料（23.5-139.5 μg/100 mL）、烘焙食品和热处理乳制品中的显著含量（Ede-Cintesun等，2024；Eggen & Glomb，2021；Terio等，2021）。MGO在现代饮食中的广泛存在意味着消费者会定期暴露于MGO中，因此了解其在肠道以外的生物活性至关重要（Akinrimisi等，2025）。重要的是，本研究选择的暴露浓度（0.25–1.50 μmol/L）基于估算的人类膳食MGO摄入量。据估计，西方人群的平均每日MGO暴露量约为每人1–3 mg，摄入加工食品、咖啡或高蜂蜜饮食的人群摄入量更高（Arribas-Lorenzo & Morales，2010；Maasen等，2022）。为了将此人类膳食摄入量转化为斑马鱼幼鱼的等效暴露浓度，我们采用了基于体表面积的异速缩放方法，这是一种在毒理学研究中广泛用于种间剂量换算的方法（Clewell & Fuchsman，2024）。计算得出理论基线约为0.42 μmol/L（由96小时LC??的1/30推导得出），这与估算的人类每日摄入量吻合良好。在此基础上，我们选择了三种浓度：0.25 μmol/L（基线暴露的保守估计）、0.75 μmol/L（中等暴露）和1.50 μmol/L（较高暴露），以涵盖一个生理相关的范围，覆盖典型到高端的人类MGO膳食暴露情景。这种分层方法能够评估剂量依赖性效应，同时保持亚致死条件，从而为危害识别提供生物学上合理的基础。
MGO毒性的主要机制在于其高反应活性，使其能够通过非酶促反应与蛋白质、脂质和核酸形成晚期糖基化终末产物（AGEs）（Peng等，2024；Vijayraghavan等，2025）。我们此前的研究表明，这种糖基化过程可能改变生物分子的结构和功能，破坏细胞信号传导，并诱导氧化应激和炎症——这些病理生理机制是神经退行性疾病和认知衰退发病机制的核心（H. Zhang等，2024）。由于大脑代谢率高、脂质含量高且抗氧化能力相对有限，因此对这类损伤极为敏感（Naik等，2025）。以往的体外和哺乳动物研究已将体内MGO升高与神经元功能受损、突触丢失和神经炎症联系起来（Samsuzzaman等，2024；Tozihi等，2025）。然而，仍存在一个关键的认知空白：在整体脊椎动物情境中，膳食相关的慢性MGO暴露如何通过涵盖氧化损伤、多巴胺功能紊乱和全身代谢重编程的精确机制级联，在早期发育期间损害认知功能，其直接因果关系尚未得到系统阐明。
斑马鱼幼鱼是弥补这一空白的理想脊椎动物模型。它具有复杂的神经系统、功能性血脑屏障以及稳健且可量化的学习和记忆行为（Saleem & Kannan，2022；Sande等，2024）。重要的是，该模型能在单一实验框架内同时评估不同的行为领域，包括空间记忆、焦虑样反应和运动活动。其光学透明性和小体型便于高分辨率神经成像和高通量毒理学筛选，使其非常适合进行全面的机制研究（Chaoul等，2023；Saleem & Kannan，2022）。
在本研究中，我们假设膳食相关浓度下的MGO暴露通过氧化应激介导的多巴胺损伤和全身代谢紊乱损害斑马鱼幼鱼的认知功能。为了检验这一假设，我们采用了一种分层实验方法：(1) 学习、记忆和运动功能的行为学评估；(2) 氧化应激、神经递质稳态和神经元完整性的生化评估；以及(3) 非靶向代谢组学以鉴定受扰动的代谢通路。这一综合策略旨在提供关于膳食MGO在早期脊椎动物发育期间神经毒性的全面机制见解，从而为食品安全评估提供重要的毒理学基础。
各节片段
化学品和试剂
甲基乙二醛标准品（CAS号：78-98-8，40% H?O溶液），由Sigma-Aldrich公司（德国达姆施塔特）提供。实验中使用的甲醇、乙腈及其他试剂均为高纯度，适合LC-MS分析，购自Thermo Fisher Scientific公司（英国拉夫伯勒）。
斑马鱼饲养
野生型AB品系斑马鱼胚胎购自杭州亨特生物科技有限公司，在循环养殖系统中于受控条件下饲养：温度28°C，电导率450–550
MGO对斑马鱼幼鱼的毒性效应
为建立后续行为学和机制研究所需的适当亚致死暴露浓度，首先进行了急性毒性测试。如图S1所示，较低MGO浓度下未观察到死亡。对剂量-反应数据进行Probit分析表明，在插值浓度为12.85 μmol/L（对应53%死亡率）时死亡率急剧增加，并在插值浓度为……时达到完全致死（100%死亡率）。
结论
总之，我们提出了MGO诱导神经毒性的综合机制模型。膳食相关浓度下的MGO暴露通过耗竭抗氧化防御和诱导脂质过氧化引发显著氧化应激。这种促氧化环境与易损多巴胺神经元的选择性损伤、神经递质耗竭和神经元死亡相关。这些细胞和神经化学改变伴随着全身代谢重编程，其特征为……
CRediT作者贡献声明
Lan Mo：可视化、验证。Chaoyi Xue：资源、方法学、形式化分析。Zhihui Wu：方法学、形式化分析。Wei Quan：撰写—审查与编辑、资金获取、概念化。Huang Zhang：撰写—原稿、数据整理、概念化。Lei Liu：调查研究。Zhonghao Hu：调查研究、数据整理。
伦理声明
本研究按照ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南进行。本研究经机构动物护理和使用委员会批准（批准号：IAUC-2024-9322-01）。
资金来源
本工作获得湖南省科技创新计划（2024RC3185）、国家自然科学基金（项目编号：32302258）、湖南省重点研发计划项目（2025AQ2020）、湖南省自然科学基金（2024JJ6237）、湖南省教育厅青年基金优秀项目（23B0229）、河南省科技研究项目（252102321124）、科学……
利益冲突声明
? 作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文所报道的工作。
Zhonghao Hu｜Huang Zhang｜Lei Liu｜Zhihui Wu｜Lan Mo｜Chaoyi Xue｜Wei Quan
