虾青素对大鼠模型中长期摄入甜味剂所导致的中枢和周围神经系统损伤的保护作用：涉及多条信号通路

本研究通过长期喂养实验比较蔗糖、阿斯巴甜和甜叶菊对大鼠肝脏、心脏及脑功能的影响，发现阿斯巴甜毒性最强，甜叶菊最弱，并验证虾青素可有效缓解组织氧化损伤和炎症反应。

　　

阿赫迈德·M·E·哈姆丹（Ahmed M.E. Hamdan）| 卡雷玛·阿布-埃尔福特（Karema Abu-Elfotuh）| 雷姆·阿尔沙曼（Reem Alshaman）| 霍达·A·萨利姆（Hoda A. Salem）| 阿米拉·M·哈姆丹（Amira M. Hamdan）| 库卢德·H·A·阿莱萨伊（Khulud H.A. Alaisayi）| 萨瓦桑·A·S·阿尔哈尔蒂（Sawsan A.S. Alharthi）| 拉加德·F·S·阿尔贾哈尼（Raghad F.S. Aljehani）| 法伊·I·M·阿尔谢里夫（Fai I.M. Alsherif）| 阿卜杜拉·K·M·阿巴尔哈桑（Abdullah K.M. Abalhassan）| 阿卜杜勒马吉德·S·阿尔布加米（Abdulmajeed S. Albugami）| 尼扎尔·西拉格（Nizar Sirag）| 穆斯塔法·H·阿卜杜勒萨拉姆（Moustafa H. Abdelsalam）| 切拉萨米·帕尼尔塞尔瓦姆（Chellasamy Panneerselvam）| 瓦苏德万·马尼（Vasudevan Mani）| 穆罕默德·S·阿卜杜勒-马克苏德（Mohamed S. Abdel-Maksoud）| 法瓦兹·E·阿兰纳齐（Fawaz E. Alanazi）| 雷哈布·阿里·埃尔赛义德·马苏德（Rehab Ali Elsayed Masoud）| 阿尔沙伊玛·达尔维什（Alshaymaa Darwish）| 艾亚·M·H·戈威费尔（Ayah M.H. Gowifel）

沙特阿拉伯塔布克大学药学院药理学与毒理学系，塔布克74191

摘要

背景

肥胖和糖尿病是全球日益严重的健康问题，这促使人们使用阿斯巴甜和甜菊糖等无热量甜味剂来替代蔗糖；然而，这些甜味剂的长期生理和行为影响尚未完全了解。

目的

本研究是一项比较实验研究，旨在探讨蔗糖、阿斯巴甜和甜菊糖摄入对大鼠肝脏、心脏和大脑功能的长期影响，并研究虾青素（ASTX）缓解由此导致的组织损伤的能力。

研究设计

研究分为七组大鼠，包括对照组、蔗糖组、阿斯巴甜组、甜菊糖组以及分别结合ASTX的组别，每组大鼠接受八周的处理，以比较这些甜味剂的器官特异性毒性并评估ASTX的保护作用。

方法

通过生化、行为和组织病理学分析对肝脏、心脏和大脑进行了全面评估。所有三种甜味剂均引发了高血糖、脂质代谢紊乱（甘油三酯、低密度脂蛋白、高密度脂蛋白）和氧化应激增加（MDA），抑制了Nrf2/HO-1抗氧化通路，并激活了TLR4/NF-κB介导的炎症反应，导致细胞凋亡。生物标志物显示肝脏功能障碍（ALT、AST、ALP）、心脏损伤（肌钙蛋白I、CK-MB、MEF2）和认知障碍（β-淀粉样蛋白、tau蛋白、BDNF），同时单胺类神经递质和Wnt3a/GSK-3β/β-连环蛋白的调节也发生了改变。Bax/Bcl-2比率表明细胞凋亡增加，其中阿斯巴甜的毒性最强，而甜菊糖的毒性最低。ASTX有效缓解了这些生化、组织学和功能变化。

结论

研究结果表明，阿斯巴甜对肝脏、心脏和大脑健康的负面影响最大，而甜菊糖的影响最小；ASTX可能具有保护作用，能够对抗这些有害影响。

引言

肥胖和糖尿病是紧迫的全球健康问题，主要由过量摄入糖分引起，会对包括肝脏、大脑和心血管系统在内的多个器官造成损害[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。蔗糖引起的代谢紊乱导致高血糖和血脂异常，引发氧化应激并抑制核因子红细胞2相关因子2（Nrf2）——这是一种调节酶促和非酶促抗氧化剂的转录因子[5,[7], [8], [9], [10], [11]]。这种抑制作用激活了Toll样受体4（TLR4）/核因子κB（NF-κB）的促炎通路，促进细胞因子的释放并持续炎症[3,7,12]，进而激活糖原合酶激酶-3β（GSK3β），进一步抑制Nrf2并通过增加凋亡相关基因的表达和减少抗凋亡因子Bcl2来促进组织细胞凋亡[[13], [14], [15], [16], [17]]，导致肝脏、心脏和大脑等器官逐渐受损[3,4,7,17]。在大脑中，持续的炎症和GSK3β激活促进了β-淀粉样蛋白的生成和tau蛋白的异常调节，从而导致认知障碍和类似阿尔茨海默病的神经退行性变；这些效应还因氧化应激引起的乙酰胆碱酯酶活性增加而加剧[5,[18], [19], [20], [21]]。此外，GSK3β的激活破坏了Wnt/β-连环蛋白信号通路，该通路对神经元存活和突触维持至关重要，并减少了脑源性神经营养因子（BDNF）的分泌，后者是突触可塑性和记忆的关键调节因子，从而加重了认知功能障碍[19,22,23]。长期摄入含热量甜味剂所带来的健康风险使得无热量替代品越来越受欢迎，因为它们可以在不增加热量的情况下提供甜味[25]；然而，这些替代品对体重调节、血糖控制、肝功能、心血管健康和神经系统的长期影响仍不够清楚。

无热量甜味剂分为人工合成类（如阿斯巴甜）和天然提取类（如甜菊糖）[26,27]。阿斯巴甜的甜度是蔗糖的180-200倍，广泛用于食品和饮料中[28]。阿斯巴甜在体内代谢为苯丙氨酸，干扰神经递质（多巴胺、去甲肾上腺素、血清素）的合成，影响认知和情绪；同时产生天冬氨酸，过度刺激NMDA受体，导致兴奋性毒性、tau蛋白病理变化和β-淀粉样蛋白积累；此外还会产生甲醇，引发氧化应激，损害神经元和其他组织[[29], [30], [31]]。这些缺点使得阿斯巴甜的摄入成为争议话题，人们开始探索天然甜味剂（如甜菊糖）作为合成甜味剂的替代品。

甜菊糖是从Stevia rebaudiana（菊科植物）中提取的甜味苷，其甜度是蔗糖的200-300倍。它的甜味比蔗糖或阿斯巴甜更浓郁且持久，因此成为全球流行的糖替代品[34]。然而，有研究表明甜菊糖可能引发高血糖、胰岛素抵抗、肝酶紊乱、尿素和肌酐升高、氧化应激、炎症和神经退行性变，部分原因是大脑中COX-2表达增加[6,35,36]。无热量甜味剂对体重、血糖控制以及肝脏、心脏和大脑健康的长期影响及其潜在的分子机制仍需进一步研究。进行比较组织学和生化分析对于寻找更安全的甜味剂替代品和制定保护策略至关重要。

虾青素是一种脂溶性类胡萝卜素，存在于藻类、三文鱼、虾和甲壳类动物中，广泛用于水产养殖和工业色素生产。ASTX具有强大的抗氧化、抗炎、免疫调节和抗纤维化作用，可通过调节氧化还原和炎症通路（包括Nrf2和NF-κB）来实现[10,[37], [38], [39]]。这些特性凸显了ASTX的广泛治疗潜力，多项研究表明它对心脏毒性具有保护作用，并能支持肝脏健康[[40], [41], [42], [43], [44]]。重要的是，ASTX能够穿过血脑屏障，提供对神经系统的保护[45,46]。其神经保护作用包括调节脑源性神经营养因子（BDNF）、防止β-淀粉样蛋白积累、促进轴突再生、抑制神经炎症和恢复氧化平衡[45,[47], [48], [49]]。鉴于其抗氧化和抗炎特性，我们选择ASTX来对抗所研究甜味剂对肝脏、心脏和大脑的影响。

本研究旨在评估和比较人工合成甜味剂（阿斯巴甜）、天然甜味剂（甜菊糖）和含热量甜味剂（蔗糖）对大鼠肝脏、心脏和大脑的长期影响。选择心脏和大脑作为研究对象是因为它们在代谢、循环和认知中起核心作用，因此容易受到各种压力因素（包括长期摄入甜味剂）引起的氧化应激、炎症和细胞凋亡的影响。对心脏和大脑进行详细分析是因为它们的正常功能依赖于氧化还原平衡和炎症调节，有助于评估饮食引起的毒性作用和神经退行性变。研究重点关注了氧化应激、Nrf2/HO-1抗氧化防御、炎症信号（TLR4/NLRP3炎性小体和细胞因子）、细胞凋亡、组织损伤生物标志物、Wnt-3a/GSK-3β/β-连环蛋白信号以及β-淀粉样蛋白合成等关键分子通路。同时，还探讨了ASTX的保护作用，特别是其系统的抗氧化、抗炎和细胞保护特性。本研究比较了含热量和无热量甜味剂对肝脏、心脏和大脑的长期影响，揭示了它们的毒性机制，寻找更安全的替代品，并评估了ASTX的保护效果，为健康饮食选择提供依据。

研究假设长期摄入甜味剂（无论是含热量的蔗糖还是无热量的阿斯巴甜和甜菊糖）会通过氧化应激、抗氧化防御能力下降、炎症持续、生存信号通路受损以及凋亡和退行性通路的激活等方式对肝脏、心脏和大脑造成毒性影响。选择这些器官是因为它们在代谢、循环和认知中起核心作用，因此容易受到长期摄入甜味剂引起的氧化应激、炎症和细胞凋亡的影响。我们进一步提出，ASTX通过恢复氧化还原平衡、抑制炎症信号、保持细胞完整性和维持器官的分子和功能稳态来发挥系统保护作用。

动物

我们从埃及开罗的Nile Pharmaceuticals公司购买了18周大的雄性Wistar大鼠。适应环境和营养条件是研究中的关键环节。大鼠被随机放入钢制笼子中，允许它们在实验开始前两周内适应环境。大鼠生活在光照和黑暗交替周期为12小时、温度为25±1°C的环境中，保持空气清洁。

结果

在本研究中，除了上述组别外，我们还增加了一个单独接受50毫克/千克ASTX处理的实验组。由于该组与对照组没有显著差异，因此在最终的研究报告中未展示这些数据，以保持数据的简洁性和清晰性。

讨论

肥胖和糖尿病是全球主要的健康问题，增加了癌症、代谢综合征、心血管疾病和高血压等并发症的风险。传统的干预措施（如饮食限制、运动和营养咨询）往往效果有限[[70], [71], [72]]。因此，无热量甜味剂作为食品和饮料中的糖替代品得到了广泛应用，可以在不增加热量的情况下提供甜味[73]。阿斯巴甜

结论

总之，我们的研究揭示了甜味剂摄入与肝脏、心脏和大脑组织多种病理生理参数之间的复杂关系。在所研究的甜味剂中，阿斯巴甜在长期摄入后对生化标志物、组织学发现和行为结果的影响最为显著，其次是蔗糖和甜菊糖。ASTX作为缓解这些影响的潜在药物显示出一定的效果

建议

• 根据我们的研究结果，建议优先使用天然甜味剂（如甜菊糖）作为蔗糖的替代品，因为它们对健康的危害较小。同时应控制甜味剂的摄入量，以平衡饮食需求并降低健康风险。此外，将ASTX等生物活性化合物与天然甜味剂结合使用可能具有保护作用，这需要进一步的研究和公共卫生教育，以促进明智的饮食选择。

未引用参考文献

[59]

CRediT作者贡献声明

阿赫迈德·M·E·哈姆丹（Ahmed M.E. Hamdan）：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、监督、项目管理、方法设计、研究实施、资金获取、数据分析、概念构思。卡雷玛·阿布-埃尔福特（Karema Abu-Elfotuh）：撰写——审阅与编辑、数据可视化、验证、监督、方法设计、研究实施、资金获取、数据分析、概念构思。雷姆·阿尔沙曼（Reem Alshaman）：撰写——审阅与编辑、研究实施、数据分析

利益冲突声明

作者声明以下可能的利益冲突：

阿赫迈德·莫赫森·埃尔赛德·哈姆丹（Ahmed Mohsen Elsaid Hamdan）表示得到了塔布克大学科学研究部的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢塔布克大学科学研究部（DSR）通过研究资助编号“S-1443-0028”对本研究的支持。