膳食中的叶黄素通过恢复黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）体内的氧化平衡和钙平衡，从而保护其免受苯甲酸埃玛菌素（Emamectin benzoate）引起的神经毒性损伤

神经毒性机制与玉米黄质保护效应：果蝇模型中Emamectin Benzoate诱导氧化应激及钙稳态紊乱的缓解作用。

　　

Kiran P C | Pramod Kumar P | K.V. Harish Prashanth | Devaraju K S

印度卡纳塔克邦达尔瓦德（Dharwad-580003）卡纳塔克大学生物化学系（神经化学实验室）

摘要

苯甲酸埃玛菌素（EMZ）在农业中广泛应用；然而，其潜在的非靶标神经毒性作用尚未得到充分研究。本研究探讨了膳食类胡萝卜素叶黄素（LUT）对Drosophila melanogaster中EMZ诱导的神经毒性的保护作用。成年雄性果蝇暴露于1 ng/mL的EMZ 7天后，表现出显著的行为障碍和氧化应激增加，导致死亡率上升。同时给予LUT和EMZ显著改善了运动功能（24-71%）和存活率（9天）。生化检测显示，LUT联合治疗通过恢复抗氧化酶（包括过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽-S-转移酶（GST）的水平，减轻了EMZ在果蝇头部和身体部位的毒性。此外，LUT还显著提高了膜结合酶（如琥珀酸脱氢酶和NADH-细胞色素c还原酶）的活性。值得注意的是，LUT缓解了与EMZ暴露相关的胆碱能功能障碍和多巴胺耗竭，从而保持了正常的脑组织结构。基因表达研究表明，EMZ暴露上调了钙调蛋白的表达，下调了钙网蛋白、calx、regucalcin和SERCA的mRNA表达，导致钙（Ca²⁺）稳态紊乱和潜在的细胞功能障碍。LUT的联合治疗以浓度依赖的方式有效恢复了这些异常。此外，对接研究显示，LUT对参与Ca²⁺稳态的蛋白质具有良好的结合亲和力，范围为-1.635至-12.095 kcal/mol。总体而言，这些发现表明LUT通过减轻氧化应激、维持Ca²⁺信号平衡和改善Drosophila melanogaster的神经元功能，发挥神经保护作用。

引言

农药的过度和不受控制的使用会污染食物，并通过危害非目标生物（包括微生物、昆虫、鸟类、真菌、鱼类和哺乳动物）对环境造成危害，从而影响它们的生存、生长、繁殖和行为，还会引发其他代谢和生理紊乱（Lu等人，2024；X. Shi等人，2024；Wan等人，2025；Zhang等人，2025）。世界卫生组织报告称，每年有37万人因农药中毒死亡（El-Sarnagawy等人，2022）。各种实验模型显示，农药暴露会导致神经毒性（Meijer等人，2014；Sule等人，2022）。这些结果与人类和临床前模型中观察到的症状一致，包括肌肉束挛缩、呼吸肌麻痹和癫痫发作（Biosca-Brull等人，2021；Calsbeek等人，2021；dos Santos等人，2016）。此外，农药还会扰乱Ca²⁺稳态，这是调节神经元活动（如兴奋性、神经传递和基因表达）的关键过程（Costas-Ferreira & Faro，2021）。Ca²⁺浓度的变化可能触发一系列有害的细胞机制，包括线粒体功能紊乱和自由基的产生，最终导致细胞死亡（Lee等人，2024；Mattson，2007）。先前的研究还表明，特定神经元群体对Ca²⁺稳态失调的敏感性在某些神经退行性疾病（NDDs）的发展中起着关键作用（Gandhi等人，2009；Riascos等人，2011）。这些结果表明，中枢神经系统（CNS）特别容易受到细胞内Ca²⁺稳态紊乱的影响。

在农药中，苯甲酸埃玛菌素（EMZ）是一种半合成的阿维菌素衍生物，广泛用于防治多种害虫。美国环境保护署（EPA）的农药资料表将EMZ列为对哺乳动物具有显著毒性的物质（Zhang等人，2017）。残留物和饮食风险评估研究表明，EMZ经常在芒果、玉米、豇豆、Allium tuberosum和Dendrobium officinale等作物中被检测到，这凸显了监测其持久性和评估潜在饮食暴露以确保消费者安全的必要性（Bian等人，2020；Meng等人，2025；Wang等人，2021）。EMZ的亲脂性使其能够轻易穿过细胞膜，从而引发氧化应激、炎症和细胞凋亡（Noshy & Azouz，2021；Zhang等人，2022）。作为一种神经毒素，EMZ会干扰γ-氨基丁酸（GABA）的正常功能（Gu等人，2023）。该化合物与GABA受体相互作用，增强氯通道的开放，增加肌肉和神经膜上的氯离子通透性（Lalmalsawmi等人，2024）。口服EMZ会导致小鼠大脑皮层中丙二醛（MDA）的积累，并降低抗氧化酶的活性，从而引发氧化应激（Temiz，2022）。EMZ还会抑制乙酰胆碱酯酶（AChE）的活性，并在Oreochromis niloticus幼鱼和鲤鱼中引起异常的脑组织结构（Abraham等人，2024；Zhang等人，2022）。此外，EMZ暴露还会扰乱线粒体稳态，促进鲤鱼肾组织的自噬和铁死亡（Li等人，2024）。这些观察结果表明，EMZ通过多种生化途径引发神经毒性。尽管如此，EMZ诱导的神经毒性的确切分子机制仍不清楚。其神经毒性特征以及其他农药的数据表明，可能存在钙（Ca²⁺稳态的紊乱，这需要进一步研究。

在这种情况下，Drosophila模型被广泛用于识别多种具有神经毒性的物质（Rand等人，2023）。它在生理和遗传上与高等脊椎动物相似，饲养成本低，基因组已完全测序，并且具备基因编辑工具，使其成为分析多种化合物神经毒性的理想模型（Dahleh和Prigol，2023；Pramod Kumar等人，2022；Monier等人，2024）。由于Drosophila具有高度保守的神经系统，研究人员可以研究神经毒素（如酒精或辐射）如何干扰Ca²⁺调节（Chvilicek等人，2020；Lee等人，2018；Zhang等人，2023），这对神经传递、突触可塑性和神经元存活至关重要。Drosophila模型的遗传可操作性和短寿命使得快速筛选参与Ca²⁺信号的基因和途径成为可能（Dube等人，2000）。此外，经过验证的实验方法（如负趋地性、攀爬、嗅觉学习和求偶条件反射）能够可靠地评估果蝇的运动和认知功能，其结果与啮齿动物神经行为实验相当（Gajardo等人，2023；Pak & Murashov，2021）。这可能进一步将Ca²⁺失调与功能障碍联系起来（Vajente等人，2020），使Drosophila成为探索神经毒性机制和潜在干预措施的理想系统。

新兴研究表明，植物来源的生物活性化合物具有强大的抗氧化特性，能够在Drosophila模型中抑制各种环境污染物引起的氧化损伤（Pramod Kumar等人，2024；Villegas-Aguilar等人，2024）。在多种生物活性化合物中，叶黄素（LUT）作为一种黄酮类胡萝卜素，已被证明可以通过调节多种生物途径发挥神经保护作用（Jayakanthan等人，2024）。此外，一项基于群体的研究发现了LUT浓度与成年脑组织认知功能之间的关系，发现 在类胡萝卜素中，只有LUT与广泛的认知活动（包括执行功能、语言、学习和记忆）持续相关（Johnson等人，2013）。先进的LUT递送系统已被证明可以在缺血-再灌注的哺乳动物模型中增强线粒体功能并防止氧化损伤，显示出抗氧化和神经保护作用，表明其药理潜力超出了传统的抗氧化途径（P. Shi等人，2024）。尽管这些神经保护作用的分子基础尚不清楚，但已提出几种机制，包括减轻氧化应激和激活抗炎途径（Iyer等人，2024；Pap等人，2022）。一些研究还表明，类胡萝卜素可以调节Ca²⁺信号传导（Cho等人，2018）。该化合物在模拟阿尔茨海默病和帕金森病的鼠模型中显示出治疗效果（Fernandes等人，2021；Nazari等人，2022）。因此，鉴于LUT的抗氧化特性及其缓解氧化应激的能力，当前的研究旨在利用Drosophila模型探索其在EMZ诱导的氧化应激和Ca²⁺稳态相关基因紊乱中的神经保护作用。这项研究的结果可能为LUT在减轻环境神经毒素（如EMZ）的有害影响方面的治疗效果提供宝贵见解。

材料

LUT（CAS编号127-40-2）、多巴胺（DA）、乙酰硫代胆碱碘化物和丁基硫代胆碱碘化物购自Sigma Aldrich（美国）。EMZ（CAS编号155569-91-8）购自印度班加罗尔的Honeychem Pharma。所有其他分析级化学品均购自Himedia India。

果蝇品系和饲养

Drosophila melanogaster的Oregon K野生品系购自印度卡纳塔克邦Manasagangotri的Mysore大学果蝇资源中心。果蝇在12小时光照/黑暗周期下饲养，温度为24℃

EMZ导致果蝇行为异常并增加死亡率

果蝇暴露于1–5 ng/mL的EMZ浓度后，7天的死亡率分别为55%、68%、81%、84%和100%（p<0.05）（图1A）。这些结果表明，EMZ具有高度毒性，可能导致神经退化和运动功能受损。此外，暴露于EMZ的果蝇表现出运动功能障碍，其攀爬能力分别下降到41%、52%、63%和67%（p<0.05）

讨论

最新证据表明，EMZ暴露会导致广泛的毒理学效应，包括神经损伤（Pan等人，2024）。在我们的研究中，EMZ在果蝇中的LC50为1 ng/mL，表明即使低浓度的EMZ也对Drosophila有害。先前的研究报道，斑马鱼和鲤鱼在0.25 μg/mL和3.005 μg/L的浓度下也易受EMZ的影响（Gu等人，2023；Zhang等人，2022）。这些发现

结论

总之，本研究表明，EMZ暴露显著增加了氧化应激并扰乱了Ca²⁺稳态，导致Drosophila melanogaster的神经毒性。EMZ暴露导致氧化损伤增加、抗氧化酶活性降低、线粒体功能障碍以及关键神经递质系统（包括胆碱酯酶和多巴胺水平）的变化。值得注意的是，这是首次报道EMZ在Drosophila中引起Ca²⁺稳态紊乱的情况。

作者贡献声明

Keelara Veerappa Harish Prashanth：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源提供、概念构思。Devaraju K S：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督、概念构思。Kiran P C：撰写 – 初稿撰写、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构思。Pramod Kumar P：验证、方法学设计、数据分析

未引用的参考文献

A等人，2016；Shi等人，2024；Zhang等人，2017。

利益冲突声明

作者声明与本手稿无关的已知利益冲突。

致谢

作者Kiran P. C. 感谢卡纳塔克邦政府提供的OBC奖学金。