《ACS Omega》：Sucralose Induces Neurobehavioral Alterations and Exacerbates Alzheimer’s Disease-Like Phenotypes in Zebrafish Models
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人工甜味剂被广泛消费，但其潜在的神经毒性效应仍知之甚少。本研究以三氯蔗糖（SUC）为模型化合物，开发了一种快速筛查人工甜味剂神经毒性的方法，并探讨其与神经退行性样过程（尤其是阿尔茨海默病（AD）样表型）的潜在关联。SUC在哺乳动物体内极少被吸收和代谢，导致其在
人工甜味剂被广泛消费，但其潜在的神经毒性效应仍知之甚少。本研究以三氯蔗糖（SUC）为模型化合物，开发了一种快速筛查人工甜味剂神经毒性的方法，并探讨其与神经退行性样过程（尤其是阿尔茨海默病（AD）样表型）的潜在关联。SUC在哺乳动物体内极少被吸收和代谢，导致其在环境中广泛存在。在此，研究人员将斑马鱼幼鱼的高通量行为表型分析与成鱼及AD转基因模型中的靶向分析相结合，采用了一种改编自既往大规模睡眠-觉醒药物筛选的“行为表型比对（behavioral phenoblast）”策略。研究人员在涵盖低剂量至高剂量暴露条件的广泛浓度范围（5 μg/L至100 mg/L）内评估了SUC的效应。层次聚类和K-means聚类分析显示，SUC的行为特征谱与已知与神经退行性风险相关的化合物高度相似。为验证上述发现，研究人员将成鱼斑马鱼暴露于可接受每日摄入量（ADI）范围内的SUC（1–100 mg/L）3个月，结果观察到剂量依赖性的焦虑样行为增加以及学习记忆功能损害。值得注意的是，用人源错误折叠Aβ蛋白表达的转基因斑马鱼经SUC处理后，其Aβ相关病理表型呈剂量依赖性加重。这些发现强调需要进一步研究人工甜味剂的长期神经学影响，并为评估人工甜味剂的潜在健康风险提供了方法论框架。
**论文解读：三氯蔗糖的神经毒性效应及其在斑马鱼模型中加剧阿尔茨海默病样表型的证据**
**1. 研究背景与科学问题**
人工甜味剂作为低热量糖替代品被广泛使用，其中三氯蔗糖（sucralose, SUC）在15亿美元的人工甜味剂市场中占据62%的主导份额。SUC是蔗糖的氯化衍生物，其甜度是蔗糖的320–1000倍，已在全球80多个国家获准使用。由于其代谢稳定性极高（哺乳动物体内65–99%以原形排出），且污水处理去除率低于20%，SUC已成为环境中广泛检出的污染物。尽管美国食品药品监督管理局（FDA）和联合国粮农组织/世界卫生组织食品添加剂联合专家委员会（JECFA）等机构基于大量动物和临床研究认为SUC在可接受每日摄入量（acceptable daily intake, ADI）范围内是安全的，但近年来的研究提示SUC可能并非完全生物惰性：它可影响代谢参数、改变肠道菌群平衡、诱导药物外排转运蛋白（P-gp）和细胞色素P450（CYP）酶的表达，并在水生生物中诱发胆碱酯酶活性和脂质过氧化。然而，SUC的潜在神经毒性效应，尤其是其与神经退行性疾病（特别是阿尔茨海默病，Alzheimer’s disease, AD）的关联，仍未得到充分研究。随着全球人口老龄化，神经健康的重要性日益凸显，亟需更全面评估SUC长期暴露的神经学风险。
**2. 研究内容、结论与意义**
本研究旨在利用斑马鱼模型系统评估SUC的神经毒性及其与AD样表型的潜在关联。研究人员采用多层级策略，整合了幼鱼高通量行为表型筛选、成鱼慢性暴露行为学验证、转录组学与神经递质分析，以及AD转基因斑马鱼模型的功能验证。研究得出以下核心结论：SUC可诱导斑马鱼胚胎发育毒性（但可在发育后期自发恢复）；其行为药效指纹谱与已知神经退行性风险化合物聚为一类；慢性暴露于ADI浓度范围内的SUC可导致成鱼出现剂量依赖性的焦虑样行为增加、探索行为减少以及学习记忆能力损害；转录组学分析揭示SUC暴露激活了蛋白质错误折叠与细胞应激反应相关通路；SUC干扰多种神经递质的稳态平衡；在表达人源错误折叠Aβ蛋白的转基因斑马鱼中，SUC暴露呈剂量依赖性地加剧Aβ相关病理表型。该研究首次系统性地将SUC暴露与AD样表型联系起来，为重新评估人工甜味剂的长期神经安全性提供了重要的实验证据和方法学框架。论文发表于《ACS Omega》。
**3. 主要关键技术方法**
本研究采用的技术方法包括：基于斑马鱼睡眠-觉醒行为的高通量表型筛选平台（Zebrabox系统，连续60小时双光暗周期监测），生成神经行为药效指纹图谱（neurobehavioral pharmacodynamic fingerprints, NPFs），并与含547种已知靶点化合物的数据库进行“PhenoBlast”比对和层次/K-means聚类分析；成鱼行为学测试组合（明暗偏好实验LDP、新坦克潜水实验NTD、新物体识别实验NOR、颜色偏好实验CPT及颜色条件位置偏好实验CPP）；转录组测序（RNA-seq）及基因本体论（GO）富集分析；高效液相色谱-质谱联用（HPLC-MS）神经递质检测；以及表达人源错误折叠Aβ蛋白的转基因斑马鱼（Tg(tol2-appb:APPsw-P2A-EGFP-PA-intron)）模型和激光共聚焦显微镜成像分析。成鱼慢性暴露实验使用6月龄雌性AB品系野生型斑马鱼（购自中国斑马鱼资源中心），暴露浓度分别为1、10和100 mg/L，持续3个月。
**4. 主要研究结果**
**4.1 SUC引发轻微胚胎致畸效应且可在发育过程中自发恢复**
通过连续观察0–96小时受精后（hpf）的胚胎，研究人员发现SUC暴露可导致胚胎外包延迟（2 hpf）、发育迟缓（24 hpf）和孵化率降低（48 hpf起，10 μg/L浓度即显著）。72和96 hpf时观察到心包水肿和色素减退趋势，但这些致畸指标未呈现明确的剂量-反应关系，且随发育推进异常表型逐渐减弱。总体上，SUC的胚胎发育毒性时间窗为24–72 hpf，效应较弱且可恢复。
**4.2 基于PhenoBlast方法对SUC潜在神经毒性的分类与预测**
睡眠-觉醒行为分析显示，SUC暴露仅改变行为节律的幅度而非时相。行为药效指纹谱显示SUC显著上调总活动量和觉醒活动，下调总睡眠、睡眠回合数和睡眠回合时长。层次聚类和K-means聚类分析将SUC的指纹谱与547种已知化合物库比对，发现其与糖皮质激素类（如倍他米松、地塞米松、氯倍他索丙酸酯、氟米松）和烟碱类化合物（如尼古丁二酒石酸盐、美卡拉明盐酸盐）等与认知功能障碍和神经退行性风险相关的化合物聚为一类，提示SUC可能具有神经退行性风险。
**4.3 长期暴露于膳食ADI浓度SUC诱导成鱼AD样神经行为表型**
在光暗偏好实验中，SUC暴露导致斑马鱼暗区停留时间、冻结时间、首次进入亮区潜伏期等参数呈剂量依赖性增加，而明区探索时间、平均速度、转向速度等降低，表明焦虑样行为增强。新坦克潜水实验显示SUC减少斑马鱼在顶部区域的探索行为。新物体识别实验中，SUC浓度依赖性减少斑马鱼在新物体区域的时间与运动距离。颜色偏好与条件位置偏好实验表明，SUC干扰斑马鱼的颜色偏好选择性，并损害基于颜色的学习记忆能力。
**4.4 长期SUC暴露诱导成鱼脑组织转录组改变**
转录组分析显示，SUC暴露显著上调超过100个基因的表达。GO富集分析发现上调的生物过程主要涉及蛋白质折叠、伴侣介导的蛋白质折叠和应激反应，代表性差异表达基因包括热休克蛋白家族（hsp70.1、hsp70.2、hsp70.3、hsp70l、hsp90aa1.2）、共伴侣蛋白（dnajb1b、hsph1）、线粒体蛋白酶（lonp1）和应激反应转录因子（fosab）。细胞组分中神经元胞体、线粒体基质、突触囊泡膜、髓鞘等显著富集；分子功能中蛋白质折叠结合、热休克蛋白结合、ATP酶活性、未折叠蛋白结合等显著上调。这些结果提示SUC暴露激活了蛋白质质量控制与细胞应激反应通路，与AD的蛋白错误折叠病理特征密切相关。
**4.5 SUC处理改变成鱼脑内神经递质水平**
HPLC-MS检测了7种神经递质：血清素（5-HT）、γ-氨基丁酸（GABA）、乙酰胆碱（ACh）、去甲肾上腺素（NE）、多巴胺（DA）、谷氨酰胺（Gln）和皮质醇。结果显示SUC暴露呈现典型的毒物兴奋效应（hormesis）：1 mg/L低浓度组神经递质水平全面升高，而10和100 mg/L高浓度组则显著降低，尤其是AD相关的ACh、Gln、NE、5-HT和DA水平随浓度升高而下降，表明长期SUC暴露增加了AD样表型改变的风险。
**4.6 膳食浓度SUC加剧转基因斑马鱼模型中Aβ相关病理表型**
在表达人源错误折叠Aβ蛋白的Tg(tol2-appb)转基因斑马鱼中，SUC暴露48小时后，共聚焦显微镜显示脑内表达Aβ蛋白的神经元数量、Aβ荧光强度和Aβ相关基因相对表达水平均呈浓度依赖性显著增加，直接证实SUC可加剧Aβ相关病理。
**5. 讨论与结论**
讨论部分指出，本研究通过创新性的睡眠-觉醒行为筛选方法成功识别了SUC的潜在神经毒性，其行为指纹与神经退行性风险化合物高度相似，提示现有安全性评估范式可能需要纳入长期神经效应评价。成鱼慢性暴露实验观察到的焦虑样行为、探索减少和学习记忆损害与AD早期症状高度平行，且这些效应发生在现行ADI范围内。转录组学证据表明SUC激活了与蛋白质错误折叠和应激反应相关的通路，与已知的神经退行性病理特征一致。神经递质水平的变化为行为学发现提供了机制学联系。转基因斑马鱼模型中Aβ病理的剂量依赖性加重提供了SUC加剧AD样病理的最直接证据。研究局限性包括斑马鱼与人类存在物种差异、暴露浓度高于环境现实水平、未直接定量脑组织中SUC浓度、仅使用雌鱼等。
研究结论指出：慢性SUC暴露（剂量范围涵盖低剂量至与典型摄入量相关水平）可在斑马鱼模型中诱导显著的神经毒性和行为效应，并可能促成AD样表型。鉴于SUC的广泛环境持续性和膳食使用，这些发现提示其对人类神经健康存在潜在风险；尽管需要进一步研究来充分阐明对健康的影响，但当前SUC消费的安全指南可能需要根据潜在的神经退行性风险重新审视。
