《Neuroscience Letters》：High-fat diet differentially alters hippocampal lipidomic and metabolomic profiles and cognition-related behavior in wild-type and LDL receptor-deficient mice
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摘要肥胖和血脂异常与认知功能下降有关，但LDL受体缺陷在高脂饮食对认知功能影响中的作用尚不明确。本研究探讨了高脂饮食对野生型及LDLr?/?小鼠的认知功能以及海马区脂质组和代谢组的影响。两种基因型的雄性小鼠分别喂食对照饮食或高脂饮食12周，随后检测其体重、血清脂质水平、焦虑样行为
摘要
肥胖和血脂异常与认知功能下降有关，但LDL受体缺陷在高脂饮食对认知功能影响中的作用尚不明确。本研究探讨了高脂饮食对野生型及LDLr?/?小鼠的认知功能以及海马区脂质组和代谢组的影响。两种基因型的雄性小鼠分别喂食对照饮食或高脂饮食12周，随后检测其体重、血清脂质水平、焦虑样行为、空间记忆和识别记忆能力，并通过非靶向LC–MS/MS技术分析海马区的脂质组与代谢组变化。高脂饮食会增加小鼠体重并加重血液中的脂质异常，尤其在LDLr?/?小鼠中更为明显。LDLr缺陷会导致焦虑样行为以及空间记忆和识别记忆障碍，而高脂饮食则仅会损害野生型小鼠的识别记忆能力，但对LDLr?/?小鼠的其他行为表现影响不大。海马区的脂质组分析显示，鞘脂和甘油磷脂的代谢会因基因型和饮食不同而发生改变，其中磷脂酰肌醇、固醇类脂质、磷脂酰乙醇胺相关脂质以及磷脂酰乙醇胺的水平变化尤为显著。代谢组分析表明，LDLr缺陷会通过SLC介导的转运机制以及丙氨酸/天冬氨酸/谷氨酸的代谢途径影响海马区的代谢重编程，同时高脂饮食还会进一步改变与谷氨酸相关的代谢路径及氧化磷酸化过程。综合分析显示，与能量相关的代谢物与磷脂重塑之间存在关联，而核苷糖衍生物则与鞘磷脂的代谢相关。这些研究结果表明，LDLr缺陷会增加海马区的脂质代谢脆弱性，进而导致认知功能下降，而高脂饮食则主要加剧全身性的血脂异常以及海马区的分子结构改变。
引言
由于高脂肪和高糖的不良饮食习惯，全球范围内肥胖及相关代谢性疾病的发病率不断上升，这已成为一项重大的公共卫生问题[1]。与此同时，认知功能下降和痴呆症的患病率也在急剧增长，预计到2050年病例数将增加近两倍[2]。值得注意的是，有研究将低密度脂蛋白胆固醇水平过高列为一种可改变的风险因素，它约占人群归因风险的7.4%[3]。流行病学证据进一步表明，中年时期的高胆固醇水平会增加长期认知功能下降的风险，这说明血脂异常的危害不仅体现在心血管健康方面，还会影响大脑功能[4]。鉴于此，有必要从机制层面了解饮食中的脂质摄入与个体代谢易感性是如何共同作用从而损害认知功能的。
高脂饮食是研究这一关联的主要实验模型[5]。大量研究表明，高脂饮食不仅会导致啮齿动物出现肥胖和外周代谢功能障碍，还会损害依赖海马区的学习与记忆能力[6]、[7]。这些认知缺陷与一系列神经学变化有关，包括血脑屏障通透性增加、神经炎症、突触功能紊乱以及能量代谢异常[8]。海马区是大脑中尤其脆弱的区域，它在面对代谢压力时会出现早期且明显的分子和功能变化，因此成为研究饮食引起的认知损伤的重要对象。
脂质组学和代谢组学的应用加速了从表型观察向分子机制研究的进展[9]。大脑中的脂质成分具有高度的特殊性和动态性，它们在膜结构构建、突触囊泡融合、髓鞘形成以及信号转导过程中发挥着关键作用[10]。即便脂质谱发生细微变化，也可能会影响神经元的通讯功能。尤为重要的是，由于血脑屏障的存在，中枢神经系统的胆固醇平衡在很大程度上独立于外周系统，它依赖于局部合成以及复杂的胶质细胞与神经元之间的物质运输[11]。组学研究显示，高脂饮食会显著改变海马区的脂质组成，影响磷脂、鞘脂和甘油三酯的水平，同时也会扰乱代谢组，进而影响神经递质和能量代谢物[12]。这说明，高脂饮食引起的认知损伤涉及海马区局部分子环境的深刻重组。
在脂质代谢调控体系中，低密度脂蛋白受体起着至关重要的作用[13]。LDLR基因的功能缺失突变会导致家族性高胆固醇血症，这类患者一生中低密度脂蛋白胆固醇水平都会处于较高水平[14]。除了在外周脂蛋白清除中发挥重要作用外，LDLr也在大脑中表达，参与载脂蛋白E介导的脂质运输以及胆固醇平衡的维持[13]。关于家族性高胆固醇血症与认知功能关系的临床研究结果并不一致，这是因为血管并发症和治疗措施的影响较为复杂。这种不确定性凸显出需要区分慢性高胆固醇血症本身与LDLr缺陷所带来的不同影响。LDLr?/?小鼠会出现空间记忆障碍以及海马区结构异常，比如突触密度降低和成年后神经发生能力减弱，这表明LDLr的缺失会带来认知功能障碍的易感性，而且这种易感性可能独立于典型的阿尔茨海默病病理变化[15]、[16]。
一个尚未解决的关键问题是，像高脂饮食这样的环境因素是如何与这种遗传易感性相互作用的。虽然有一些研究表明，西方式饮食或高胆固醇饮食会加重LDLr-/-小鼠的血脑屏障损伤和神经炎症，但在这两种因素共同作用下，海马区内部具体的分子重编程机制仍不明确[17]、[18]。现有的研究大多要么只研究高脂饮食对野生型小鼠的影响，要么单独研究LDLr缺陷的后果，这就造成了知识上的空白[19]。目前还缺乏能够利用LDLr?/?小鼠，在统一的实验设计中同时评估外周代谢、行为表型以及海马区全面脂质组和代谢组情况的综合性研究。
因此，本研究旨在系统地探究12周高脂饮食干预在LDLr缺陷背景下对认知功能以及海马区分子平衡的影响。我们使用了野生型小鼠和LDLr-/-小鼠，将其分为对照组和高脂饮食组进行对比研究。我们的研究方法包括定期监测体重、分析血清脂质水平、开展多种认知行为测试，以及对海马区组织进行非靶向的脂质组和代谢组分析。通过这种多层面的研究策略，我们希望确定LDLr缺陷是否會增强小鼠对高脂饮食的认知敏感度，同时揭示海马区中与这种相互作用相关的脂质和代谢网络的重构特征，从而为外周血脂异常与饮食引起的脑部脆弱性之间的机制联系提供依据。
章节要点
实验动物与处理方式
本研究共使用了8周龄的雄性LDLr?/?小鼠和野生型C57BL/6小鼠（每种基因型各24只，体重为20±2克），这些小鼠来自中国广东省深圳市疾病预防控制中心的无特定病原体动物实验室。所有小鼠均生活在光照周期为12小时的受控环境中（温度：20±2℃；湿度：55±5%），可随时获取食物和水。该实验方案已获得机构动物护理与使用委员会的批准
高脂饮食会引发肥胖并加重血脂异常，尤其是在LDLr缺陷小鼠中
经过12周的高脂饮食干预后，无论是野生型小鼠还是LDLr?/?小鼠，其最终体重都显著增加（WT-HFD组：34.95±2.66克，WT-CD组：29.82±2.78克，p<0.001；LDLr?/?-HFD组：36.02±5.10克，LDLr?/?-CD组：30.27±1.94克，p<0.001），而在两种饮食条件下，不同基因型之间的体重差异并不显著（见表1，图1A、B）。
血清脂质分析结果显示，基因型和饮食类型都具有显著影响，同时基因型与饮食类型的交互作用也具有显著性
讨论
本研究从多个层面全面分析了高脂饮食和LDL受体缺陷各自以及二者共同作用对认知功能及海马区分子平衡的影响。主要研究发现有三点。首先，无论是高脂饮食还是LDLr缺陷单独存在，都会导致类似的认知功能缺陷，同时海马区的脂质和代谢物也会出现相似的变化。这些共同的分子特征表明存在一组共同的
伦理考量
所有动物实验均严格遵循《实验动物护理和使用指南》进行，并已获得相应机构伦理委员会的批准。
作者贡献说明
廖伟伟：论文撰写——初稿撰写、数据可视化、结果验证、研究监督、项目管理、方法设计、实验实施、正式数据分析、数据整理、概念构思。 任静：论文撰写——审稿与编辑、实验实施、正式数据分析、数据整理。 荣毅：结果验证、方法设计、正式数据分析、数据整理。 谢春：论文撰写——审稿与编辑、研究监督、资源协调、项目管理、资金筹集、概念构思。 杨希菲：方法设计、实验实施
伦理审批情况
该实验方案已获得深圳市疾病预防控制机构动物护理与使用委员会的批准（批准编号：2025051），并且所有实验均严格依照《实验动物护理和使用指南》的要求开展。
数据
支持本研究所有结论的所有数据均已收录在本论文中。
资金支持
本研究得到了以下机构的资助：中国自然科学基金（项目编号：81673134、82071221）；广东省重点科技计划（项目编号：2018B030336001）；深圳市基础研究重点计划（项目编号：JCYJ20200108165353400）；以及深圳市医学专项计划（项目编号：SZSM202211010）。
研究意义
我们的研究结果表明，LDLr基因会在高脂饮食诱导的小鼠神经损伤过程中引起代谢脂质谱的变化。进一步干预LDLr基因或许能够有效缓解家族性高脂血症患者的认知功能障碍。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本论文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
廖伟伟|任静|荣毅|谢春|杨希菲
