线粒体生物发生在大鼠甲醇诱导的神经行为变化中的作用

《Toxicology Letters》：Role of mitochondrial biogenesis in methanol-induced neurobehavioral changes in rats

本研究探讨甲醇吸入暴露对大鼠神经行为及线粒体功能的影响。通过行为学测试、组织病理学分析及分子生物学方法，发现中、高剂量组大鼠在水迷宫和开场测试中表现显著异常，皮层神经元丢失及线粒体DNA含量、ATP水平下降，COX IV、PGC-1α、NRF1和TFAM蛋白表达下调，提示线粒体生物合成受阻是甲醇神经毒性的机制之一。

　　

李国平|杜小红|王新桥|韩晓杰|彭梦楠|陈楠

宁夏医科大学公共卫生学院，中国银川750004

摘要

目的

本研究旨在探讨线粒体生物发生在线粒体诱导的大鼠神经行为障碍中的作用，并阐明甲醇暴露的潜在神经毒性机制。

方法

选取48只健康的Sprague-Dawley大鼠（体重200±20克），按性别均匀分组，分为四组：对照组（0克/立方米）、低剂量组（25.344克/立方米）、中剂量组（50.688克/立方米）和高剂量组（101.376克/立方米）。大鼠通过吸入方式暴露于甲醇环境中，每天2小时，每周7天，持续4周。使用Morris水迷宫（MWM）和开放场地测试（OFT）评估神经行为变化。通过H&E染色观察大脑皮层的组织病理学变化。通过qPCR定量线粒体DNA（mtDNA）含量，并使用商业试剂盒检测ATP水平。通过Western blotting检测与线粒体生物发生相关的蛋白质（COX IV、PGC-1α、NRF1和TFAM）的表达情况。

结果

甲醇暴露的大鼠在Morris水迷宫中的逃避潜伏期显著延长，平台穿越次数减少（P<0.05）。开放场地测试结果显示，大鼠在中区活动时间、总移动距离和进入中区的次数均减少（P<0.05）。H&E染色显示大脑皮层出现神经元丢失和结构紊乱。此外，中剂量组和高剂量组的mtDNA含量和ATP水平显著下降（P<0.05）。Western blot分析证实COX IV、PGC-1α、NRF1和TFAM的表达下调（P<0.05），表明线粒体生物发生受到抑制。

结论

甲醇暴露会破坏大鼠大脑皮层神经元的线粒体生物发生，导致线粒体含量和ATP生成减少，这可能是观察到的神经行为缺陷的原因。这些发现为甲醇诱导的神经毒性提供了机制上的见解。

引言

甲醇是一种广泛使用的工业溶剂，尽管有相关法规限制，但仍对人类构成意外或故意中毒的显著风险（Li等人，2018年）。除了职业暴露外，通过摄入掺假酒精饮料也会导致甲醇中毒，这是全球范围内散发性中毒事件的重要原因（Ross等人，2022年）。然而，在职业环境中，吸入暴露是甲醇中毒的主要途径，特别是在长期、低至中等剂量暴露的情况下。甲醇被摄入或吸入后，主要在肝脏中通过乙醇脱氢酶代谢为甲醛，随后通过醛脱氢酶代谢为甲酸——这是甲醇诱导的神经毒性的主要毒性代谢物（Kruse，2012年）。临床上，甲醇中毒表现为视觉障碍、认知障碍和严重的中枢神经系统（CNS）抑制（Ma和Li，2025年）。尽管甲醇的毒代动力学已得到广泛研究，但其对神经功能的长期影响的分子机制尚未完全明了。

最新研究表明，线粒体功能障碍和线粒体稳态改变在多种神经退行性疾病的发病机制中起着关键作用（Yang等人，2025年；Hasan等人，2024年）。线粒体对于神经元能量产生、钙稳态和凋亡调节至关重要；这些功能的破坏会损害突触传递和神经元存活（Moos Walter等人，2023年）。线粒体生物发生——即新线粒体的形成过程——对于维持线粒体完整性和功能至关重要。这一过程受到关键转录共激活因子和因素的严格调控，包括过氧化物酶体增殖激活受体γ共激活因子1α（PGC-1α）、核呼吸因子1（NRF1）和线粒体转录因子A（TFAM）（Hong等人，2025年；Shenkman，2025年）。

虽然氧化应激和ATP耗竭已被证实与甲醇诱导的神经元损伤有关（Ahmad等人，2025年），但线粒体生物发生受损作为神经行为功能障碍的潜在因素仍需进一步研究。特别是，甲酸在中枢神经系统内破坏线粒体生物发生途径的作用尚未得到充分研究。

在本研究中，我们利用大鼠的静态吸入模型模拟环境和职业暴露情况。通过行为评估（Morris水迷宫和开放场地测试）、组织病理学分析（H&E染色）和生化检测（ATP定量、线粒体DNA含量及线粒体生物发生标志物的表达水平）来确定线粒体生物发生紊乱是否是甲醇诱导的认知和行为缺陷的原因。本研究旨在阐明甲醇神经毒性的线粒体机制，并可能为治疗毒素引起的中枢神经系统疾病提供新的靶点。

部分内容摘录

主要试剂

甲醇（天津瑞金特化工有限公司）；氯醛（天津利源化工有限公司）；无水乙醇（天津北联化工有限公司）；全蛋白提取试剂盒（南京凯基生物技术有限公司）；BCA蛋白定量试剂盒（南京凯基生物技术有限公司）；SDS-PAGE凝胶电泳试剂盒（上海雅赛生物医学技术有限公司）；COXIV抗体（GeneTex，美国）；PGC-1α抗体（ABCam，美国）；NRF1抗体（Proteintech，中国）；

定位导航测试中的潜伏期

在定位导航测试的第三天，中剂量组大鼠的潜伏期显著长于对照组（P<0.05）。第四天，高剂量组的潜伏期也显著长于对照组（P<0.05）。第五天，中剂量组和高剂量组的潜伏期均显著延长（P<0.05）。这些差异具有统计学意义，如图1所示。

空间探针测试指标的比较

讨论

神经行为变化通常是中枢神经系统损伤的早期、敏感的指标，在不可逆的结构损伤发生之前提供毒理学警告信号。这些行为表现常常反映了潜在的神经病理学改变。我们组的流行病学研究表明，甲醇暴露会损害人类的神经行为功能，包括反应时间、运动速度和记忆（Chen等人，2014年）。然而，其背后的确切机制尚不清楚

作者贡献声明

李国平：撰写初稿、数据可视化、结果验证、方法学设计。杜小红：撰写初稿、结果验证、正式数据分析。王新桥：撰写初稿、结果验证、方法学设计。韩晓杰：结果验证、概念构思。彭梦楠：数据可视化。陈楠：撰写、审稿与编辑、项目监督、资金获取、概念构思。

伦理批准

所有动物实验均获得宁夏医科大学伦理委员会的批准（批准编号：KYLL-2024–0731），并遵循美国国立卫生研究院的实验室动物护理和使用指南进行。

利益冲突声明

所有作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。作者在本研究中没有需要披露的财务或非财务利益冲突。

致谢

本研究得到了宁夏高等教育科学研究项目（项目编号：NGY2024130）的支持。