低剂量辐射与马拉硫磷联合暴露通过海马脂质代谢稳态与能量代谢协同破坏诱发长期神经退行性后遗症

　　本刊推荐：为解决神经毒剂联合暴露对神经退行性疾病的协同效应机制不明问题，研究团队开展低剂量辐射(LDR)与马拉硫磷联合暴露对海马代谢组学影响的创新研究。通过行为学、组织学和代谢组学分析，发现联合暴露导致α-亚麻酸代谢、磷脂酰胆碱生物合成等脂质代谢通路协同紊乱，并伴随神经炎症和神经元成熟受损。该研究为神经退行性疾病早期生物标志物发现提供了重要代谢组学依据。

　　

随着全球人口老龄化加剧，神经退行性疾病已成为重大健康挑战，其中阿尔茨海默病(Alzheimer's disease, AD)和帕金森病(Parkinson's disease, PD)尤为突出。日益增多的证据表明，环境中的外源性物质(xenobiotics)暴露是神经退行性疾病的重要诱因。在现代农业和公共卫生领域广泛使用的有机磷农药，以及医疗和航天活动中不可避免的低剂量辐射(low-dose radiation, LDR)暴露，都可能通过氧化应激和DNA损伤等机制导致大脑神经元改变。然而，传统的风险评估策略往往只考虑单一毒剂的暴露情况，忽视了现实世界中多种神经毒剂联合暴露的复杂场景。这种联合暴露可能产生协同(synergistic)或拮抗(antagonistic)效应，但目前对其长期神经毒性机制的认识仍存在重大空白。

在此背景下，印度Manipal高等研究院辐射生物学与毒理学系的Rekha Koravadi Narasimhamurthy等研究人员在《Scientific Reports》上发表了创新性研究，探讨了低剂量辐射(0.5 Gy)和有机磷农药马拉硫磷(malathion, 50 mg/kg)单独及联合暴露对小鼠海马的长期神经毒性效应。该研究特别聚焦于联合暴露对海马代谢组学的协同破坏作用，为理解多种神经毒剂共同暴露的机制提供了新的见解。

研究人员主要采用了行为学测试(旷场实验和新物体识别实验)、组织化学分析(尼氏染色和免疫组化)、酶活性测定(谷胱甘肽GSH、谷胱甘肽S-转移酶GST和乙酰胆碱酯酶AChE)以及液相色谱-质谱(LC-MS)非靶向代谢组学技术。实验使用36只C57BL/6 J雄性小鼠，随机分为对照组、马拉硫磷组、辐射组和联合暴露组，在暴露5个月后进行各项分析。

行为学分析显示探索行为受损

通过旷场实验评估焦虑相关行为，发现辐射组和联合暴露组在中心区域停留时间显著减少(p<0.05)，表明探索行为减少。新物体识别测试显示各处理组的辨别指数和识别指数有降低趋势，但未达到统计学显著性。

抗氧化能力和乙酰胆碱酯酶抑制持续存在

生化分析表明，只有马拉硫磷组的GSH水平显著降低(p<0.01)，而GST水平在各组间无显著变化。乙酰胆碱酯酶(AChE)抑制仅在马拉硫磷组持续存在(p<0.05)，证实了马拉硫虫作为胆碱酯酶抑制剂的特性。

神经元死亡和成熟受损

尼氏染色显示马拉硫磷组比辐射组出现更多固缩细胞(p<0.05)。NeuN(成熟神经元标志物)表达在马拉硫磷组齿状回(dentate gyrus, DG)区域显著降低(p<0.001)，辐射组(p<0.01)和联合暴露组(p<0.01)也显著降低。在CA3区域，只有辐射组表达降低(p<0.05)。

神经炎症持续存在

GFAP(胶质纤维酸性蛋白)染色显示，辐射组DG区域星形胶质细胞增生(astrogliosis)增加，CA3区域辐射组(p<0.05)和联合暴露组(p<0.01)均出现星形胶质细胞增生。Iba-1(离子钙结合适配器蛋白1)染色显示，与对照组相比，联合暴露组(p<0.01)和辐射组(p<0.05)静息态小胶质细胞数量显著减少，而马拉硫磷组活化小胶质细胞数量显著增加(p<0.0001)。

代谢组学揭示协同破坏效应

代谢组学分析检测到1830个特征，最终204个特征用于进一步分析。主成分分析(PCA)显示各组间总体变异为33.4%(PC1)和17.2%(PC2)。改变的代谢物主要属于脂肪酸类，其次是甘油磷脂、羧酸及其衍生物。

辐射组与对照组相比有20个显著上调和13个显著下调代谢物，最显著的变化途径涉及α-亚麻酸和亚油酸代谢、天冬氨酸代谢、鞘脂代谢、磷脂酰胆碱生物合成和尿素循环。马拉硫磷组有13个上调和19个下调代谢物，最显著改变途径包括磷脂酰胆碱生物合成、谷胱甘肽代谢、磷脂生物合成、鞘脂代谢和蛋氨酸代谢。

联合暴露组有12个下调和21个上调代谢物，最显著的改变途径包括磷脂酰胆碱生物合成、α-亚麻酸和亚油酸代谢、肉碱合成、磷脂生物合成和β-丙氨酸代谢。值得注意的是，神经保护素(neuroprotectin)和乙基甲基乙酸(ethylmethylacetic acid)等长链脂肪酸在辐射暴露后长期效应中水平增加，而4-三甲基氨基丁酸、花生四烯酸(arachidonic acid)、鞘氨醇(sphinganine)和精氨基琥珀酸(argininosuccinic acid)等脂肪酸类代谢物水平降低。

特别重要的是，联合暴露组在多种脂质代谢物中表现出协同降低效应，如2-氧代-4-甲硫基丁酸、花生四烯酸、十四烷酰肉碱、花生四烯酰肉碱、9-十六碳烯酰肉碱和神经酰胺(Cer(d18:0/12:0))等，表明联合暴露在长期效应中产生了协同毒性。

研究结论和讨论部分强调，该研究揭示了马拉硫磷和辐射单独及联合暴露影响了海马神经元功能至关重要的重叠生物过程和通路。代谢组学分析表明，联合暴露能够诱导大脑脂肪酸和脂质代谢物的一些协同生化改变，具有重要的神经元意义，并可能促进神经退行性疾病机制的发展。

研究发现联合暴露导致α-亚麻酸和亚油酸代谢、磷脂酰胆碱生物合成、磷脂生物合成和鞘脂代谢的协同减少。脂质占大脑干重的约50%，对神经元能量学至关重要，它们的破坏已知会影响神经元传递、树突形态和脊柱密度等。特别是突触连接富含胆固醇和鞘脂等脂质分子，这些分子控制膜粘度并作为少突胶质细胞和髓鞘生物合成的底物。因此，鞘脂代谢的改变可能会负面影响重要分子 across 脂质膜的流动性，从而影响神经元传递。

研究还发现，与单独暴露相比，联合暴露在一些与脂质和脂肪酸代谢相关的代谢物中产生了协同效应。脂质和脂肪酸提供大脑20%的能量，并在突触信号传导中发挥作用。随着时间的推移，这些代谢物的改变可能通过血脑屏障破坏、信号通路改变、线粒体功能障碍、氧化应激和肠-脑轴破坏等方式导致与年龄相关的认知衰退。

该研究的重要意义在于强调了限制马拉硫磷等神经毒剂在家庭和涉及辐射的程序环境中的暴露的重要性。此外，年轻时联合暴露于神经毒剂可能会加速暴露个体中观察到的神经退行症状，突出了多种神经毒剂联合暴露与单独暴露相比产生不同交互作用的必要性。

研究人员指出，这是首批报告在此类低暴露场景下海马代谢组学谱的研究之一，它可以影响环境毒理学和系统生物学领域的未来工作。更重要的是，它为对报告中最丰富改变的通路进行更有针对性的研究奠定了基础，从而建立神经毒性的早期生物标志物。特别是，像花生四烯酰肉碱、神经保护素、鞘氨醇和Cer(d18:0/12:0)等分子参与了脂质介导的神经炎症和凋亡通路调节，可能对氧化损伤、小胶质细胞激活和神经元存活产生影响。

最后，该研究强调了联合暴露模型的需求，尽管它们具有现实世界的相关性，但仍然是一个相对未充分探索的领域。研究表明，联合暴露可能导致不可预测的相互作用，并以与单独暴露截然不同的方式产生影响，呼吁需要更多此类研究来全面评估现实世界中多种环境毒剂共同暴露的健康风险。