褪黑激素通过重塑肠道微生物群和色氨酸代谢机制，有助于缓解甲基苯丙胺引起的认知障碍

《Journal of Hazardous Materials》：Melatonin remodels gut microbiota and tryptophan metabolism to ameliorate methamphetamine-induced cognitive impairment

　　

摘要

已知甲基苯丙胺（Meth）会导致药物滥用者的认知功能障碍，但其背后的机制尚不清楚。鉴于甲基苯丙胺也是一种在地表水中被检测到的新兴环境污染物，了解其神经毒性机制对于健康风险评估具有重要意义。褪黑素是一种天然的神经保护剂，在缓解认知缺陷方面显示出潜力，但其在甲基苯丙胺暴露中的作用机制仍不清楚。我们发现，褪黑素治疗可以改善甲基苯丙胺引起的认知缺陷、小胶质细胞激活和突触损伤，同时还能减轻结肠炎症并改变肠道微生物群组成。抗生素治疗和粪便微生物群移植实验验证了肠道微生物群在褪黑素减轻甲基苯丙胺引起的认知障碍中的不可或缺的作用。从机制上看，褪黑素通过重塑肠道微生物群显著提高了色氨酸代谢物3-羟基苯甲酸（3-HAA）的水平。这种化合物的外源性补充可以再现褪黑素的保护效果。结合蛋白质组学和转录组学分析，我们发现3-HAA下调了海马区小胶质细胞中的NLRP3表达，从而抑制了神经炎症和突触损伤，进而改善了甲基苯丙胺引起的认知障碍。相反，NLRP3的过度表达会消除3-HAA的保护作用。总体而言，我们的发现揭示了褪黑素通过肠道-大脑轴对抗甲基苯丙胺引起的神经毒性的机制，为这一新兴环境污染物的健康风险评估提供了潜在的治疗靶点。

引言

根据2025年世界毒品报告，全球吸毒人口已增长到3亿，比过去十年增加了28% [1]。甲基苯丙胺（Meth）作为安非他明类兴奋剂的主要形式，具有极高的成瘾性。长期暴露可能导致一系列严重的病理损伤 [2]。越来越多的研究表明，甲基苯丙胺暴露通常伴随着注意力、记忆和执行功能的持续损害，并显著提高复发率 [3]，[4]。从机制上看，甲基苯丙胺会激活小胶质细胞，引发神经炎症和突触损伤 [5]，[6]。然而，甲基苯丙胺暴露导致认知功能下降的具体机制仍不清楚。

甲基苯丙胺不仅是一种广泛滥用的药物，还被认为是一种新兴的环境污染物 [7]。它主要通过人类排泄物和非法倾倒进入环境。由于传统污水处理厂的去除效率不足，甲基苯丙胺及其代谢物随后会排放到地表水甚至土壤中 [8]。此外，最近的研究表明，受未经处理的污水污染的沿海水域可以通过海浪飞沫将甲基苯丙胺释放到空气中，导致空气中的浓度比城市背景水平高数百倍 [9]。这一发现表明，甲基苯丙胺在多个环境介质（水、土壤和空气）中持续存在，并可能通过以前被低估的途径（如吸入）对人群造成健康风险。总之，这些观察结果表明，作为一种在水生和陆地环境中持续存在的新兴污染物，甲基苯丙胺可能通过食物链转移对水生生态系统和高等生物（包括人类）构成潜在的健康风险。因此，阐明甲基苯丙胺引起的神经毒性的机制不仅有助于我们了解与其滥用相关的病理机制，也为这一环境污染物的全面健康风险评估提供了关键的科学依据。

越来越多的证据表明，甲基苯丙胺暴露会扰乱肠道微生物群，而这种菌群失衡可能通过肠道-大脑轴导致神经毒性。通过肠道-大脑轴，肠道微生物群与中神经系统相互作用，调节神经生理过程，从而影响认知功能和行为 [10]，[11]。先前的研究表明，甲基苯丙胺会破坏肠道稳态，引发与TLR4受体相关的结肠炎症并减少来自微生物的短链脂肪酸 [12]。同时，甲基苯丙胺戒断会扰乱肠道微生物群，显著降低色氨酸代谢产生的吲哚衍生物的水平，这会抑制芳香烃受体信号通路，最终引发抑郁和焦虑行为 [13]。褪黑素是一种主要由松果体分泌的内源性激素，以其调节昼夜节律和发挥抗炎及抗氧化作用而闻名 [14]，[15]。此外，研究表明褪黑素可以重塑肠道微生物群，并缓解多种神经精神障碍，包括认知障碍、自闭症和抑郁症 [16]，[17]。值得注意的是，临床证据表明，甲基苯丙胺使用者的血清褪黑素水平显著较低 [18]，[19]，这表明甲基苯丙胺暴露可能会破坏内源性褪黑素的稳态。在甲基苯丙胺引起的神经毒性背景下，褪黑素被报道可以通过调节视交叉上核的突触可塑性来减弱甲基苯丙胺相关的奖赏和运动敏感化，并通过抑制海马区的TLR4/MyD88/NF-κB信号通路来改善认知障碍 [20]，[21]，[22]，[23]。然而，褪黑素是否可以通过重塑肠道微生物群来缓解甲基苯丙胺引起的认知缺陷尚不清楚。

许多研究表明，肠道微生物群引起的色氨酸代谢紊乱与精神疾病之间存在密切关联 [24]，[25]。色氨酸代谢途径主要包括犬尿氨酸、血清素和吲哚途径 [26]。在犬尿氨酸途径中，色氨酸首先转化为犬尿氨酸，然后转化为3-羟基犬尿氨酸，最终代谢为3-羟基苯甲酸（3-HAA）[27]。作为色氨酸的关键代谢物，3-HAA具有多种生物活性，包括抗氧化、抗炎和免疫调节作用。研究表明，3-HAA是治疗与衰老相关疾病的潜在靶点，补充3-HAA已被证明可以显著延长小鼠的寿命，显示出其对中枢神经系统的显著保护作用 [28]。

在这项研究中，我们在甲基苯丙胺暴露的小鼠模型中采用了褪黑素干预方法，以评估其对肠道-大脑轴的影响。通过对肠道微生物组、代谢组、海马区转录组和蛋白质组的综合分析，阐明了褪黑素在缓解认知障碍方面的生物学机制。此外，我们还研究了3-HAA在介导褪黑素对抗甲基苯丙胺引起的认知缺陷的保护作用中的作用和具体机制。我们的发现表明，褪黑素是一种有效的治疗策略，可以防止甲基苯丙胺引起的认知障碍的发展。其作用机制涉及通过调节肠道微生物群组成和促进3-HAA的产生来减轻神经炎症和突触损伤，从而维持认知功能。这些发现为理解甲基苯丙胺引起的神经毒性提供了机制学见解，并强调了在评估这一新兴污染物对生态系统和人类健康的潜在危害时需要考虑肠道-大脑轴的紊乱。

章节摘要

化学物质

甲基苯丙胺（纯度超过99%）购自中国北京的国家药品和生物制品控制研究所。褪黑素（纯度超过99%）购自中国上海的MedChemExpress（产品编号HY-B0075）。3-羟基苯甲酸（3-HAA）（纯度超过97%）购自中国上海的aladdin（产品编号H157079）。

动物和伦理批准

SPF级雄性小鼠（C57BL/6J，6–8周龄，体重18–22克）从北京四福特生物科技有限公司购买，并在昆明医科大学实验室动物的SPF环境中饲养。

褪黑素改善了甲基苯丙胺引起的认知障碍和神经炎症

为了确定褪黑素改善甲基苯丙胺引起的认知障碍的最佳剂量，我们在甲基苯丙胺暴露后给小鼠不同剂量的褪黑素（图1A）。通过OLT、NOR和Y迷宫测试评估了它们的认知障碍。在OLT实验中，暴露于甲基苯丙胺的小鼠在新环境中的探索时间和频率相对较低。给予褪黑素后，它们的位置辨别记忆显著改善（图1B和C）。

讨论

甲基苯丙胺已被认为是一种新兴的环境污染物，在全球的地表水、废水排放物甚至沿海气溶胶中广泛检测到 [9]。甲基苯丙胺暴露通常伴随着不同程度的认知障碍 [44]，[45]，[46]，这与肠道屏障功能受损和肠道微生物群菌群失衡有关 [47]，[48]，[49]。目前尚无美国食品药品监督管理局（FDA）批准的有效

重要性声明

甲基苯丙胺越来越被视为一种新兴的环境污染物，在全球的地表水和废水排放物中频繁被发现。虽然环境中的浓度通常很低（ng/L），但其生物累积潜力、食物链转移和意外高浓度暴露突显了了解其神经毒性机制的必要性。本研究表明，甲基苯丙胺通过肠道微生物群失衡和色氨酸代谢紊乱引起认知障碍。

资助

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号82360336、82402200）、云南省基础研究重点项目（项目编号202401AS070059）、云南省药物成瘾医学重点实验室（昆明医科大学）开放项目基金（项目编号KN202401）、云南省教育厅科学研究基金（项目编号2026Y0374）以及本科生创新培训计划（项目编号PX-425905）的支持。

CRediT作者贡献声明

林淼：撰写——原始草稿、方法学、实验设计。李娟：撰写——审阅与编辑、资金获取、概念构思。曾晓峰：撰写——审阅与编辑、资金获取、概念构思。刘 Liu：撰写——审阅与编辑、资金获取、概念构思。黄健：撰写——审阅与编辑、资金获取、概念构思。郑晓轩：验证、数据分析。郑新宇：验证、数据分析。赵英杰：软件使用。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢云南省药物成瘾医学重点实验室（昆明医科大学）提供的实验平台和技术支持。图形摘要由Figdraw制作（www.figdraw.com)。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

Lin Miao|Lisha Xu|Xue Yang|Yingjie Zhao|Qiaoqiao Liu|Xiaoxuan Zheng|Xinyu Zheng|Liu Liu|Jian Huang|Juan Li|Xiaofeng Zeng

云南省药物成瘾医学重点实验室，昆明医科大学法医学院，中国昆明，650500