《Environmental Pollution》：Artificial sweetener acesulfame induces oxidative stress, neurotoxicity, and disrupts glycolipid metabolic pathways in zebrafish liver (
Danio rerio)
编辑推荐：
人工甜味剂ACE对斑马鱼肝脏的毒性及糖脂代谢机制研究。结果显示ACE抑制抗氧化酶活性，引发ROS积累、脂质过氧化和DNA损伤，并通过氢键抑制乙酰胆碱酯酶活性，激活GAD增加GABA水平，同时干扰糖脂代谢相关基因表达。该研究为ACE环境风险评估提供了分子机制依据。
刘雪|王倩|吕慧娟|穆宝燕|周亚丽|李贤旭|丁敏|江楠|王军
山东农业大学资源与环境学院，中国泰安271018
摘要
乙酰磺胺（ACE）作为一种人工甜味剂，越来越多地被检测为水生系统中的新兴环境污染物。然而，它对水生生物的潜在毒性，尤其是在与环境相关的浓度下，尚未得到明确阐明。在本研究中，斑马鱼暴露于不同浓度的ACE下，包括与环境相关的浓度（0.01和1 mg/L）以及高剂量（10 mg/L），持续28天，以探讨其对斑马鱼肝脏的肝毒性效应和糖脂代谢的干扰机制。基于生化检测、基因表达和分子对接技术的结果，我们发现ACE显著抑制了抗氧化酶（SOD、CAT）的活性，诱导了活性氧（ROS）的积累，导致脂质过氧化和DNA损伤。同时，长期高浓度暴露加剧了细胞凋亡。值得注意的是，ACE通过氢键作用抑制了AChE的活性，并通过激活GAD显著增加了GABA的水平。此外，ACE通过降低相关基因的表达（如slc2a2、ldha、g6pca1、dgat1b、fgf21）以及胰岛素合成（pdx1、foxa2、ins）和脂肪酸氧化（chrebp）来破坏肝脏糖脂代谢。本研究表明，在与环境相关的浓度下，ACE对斑马鱼具有多系统毒性效应，其广泛的环境残留物需要纳入风险评估系统。这些发现阐明了ACE在水生生物中的毒性机制，为ACE的环境管理提供了宝贵的科学依据。
引言
随着世界卫生组织正式将肥胖认定为“21世纪最严重的全球健康危机”，由过量摄入传统糖分引起的代谢和心血管疾病引起了广泛关注（Weber等人，2025年；Sasaki等人，2025年）。食品甜味剂逐渐进入消费市场（Sun、Xin和Alper，2021年）。甜味剂是一类能够增加食物甜味的添加剂，提供甜味但不一定提供热量，通常用于完全或部分替代传统糖分（Malik，2019年）。大量研究表明，甜味剂（包括天然甜味剂和人工甜味剂（ASs）在饮料、食品、个人护理产品和化妆品中广泛存在，并被视为新兴的环境污染物（Li等人，2021年；Klobu?ar等人，2025年；Takemine等人，2025年；Sim等人，2025年）。目前，乙酰磺胺（ACE）、阿斯巴甜、环己胺磺酸盐（CYC）、糖精（SAC）和三氯蔗糖（SUC）是市场上最常用的ASs（Krüger、Watzl和Merz，2025年）。ACE具有良好的光稳定性和热稳定性，pH适应范围广（pH=3-7），价格适宜，因此在低热量食品行业中得到广泛应用（Xu等人，2019年）。由于人体无法完全代谢ACE，它可以直接通过尿液排出（Hewitt等人，2020年）。大量研究在污水处理厂的最终排放口检测到了ACE的存在，表明ACE难以被传统的污水处理技术降解，从而流入自然环境（Li等人，2025年；Subedi等人，2014年；Li等人，2020年）。现有数据显示，污水处理厂出水中ACE的浓度高达2.5 mg/L，是检测到的主要新兴污染物之一（Loos等人，2013年）。在德国污水处理厂的进水样本中，ACE的浓度测量值为40 μg/L（Scheurer、Brauch和Lange，2009年）。ACE主要以阴离子形式存在于环境中，随水迁移，不易附着在土壤或污泥颗粒上，这使得通过污泥吸附进行降解变得困难（Morais、Delerue-Matos和Gabarrell，2013年）。近年来，ACE在地表水（Sultana和Metcalfe，2022年；Liu等人，2024年；Lee等人，2024年；Adenaya等人，2024年）、地下水（Han等人，2022年；Spoelstra、Senger和Schiff，2017年）和饮用水（Sérodes等人，2021年）中频繁被检测到。在苏黎世附近的一个地下水监测网络中，65%的样本含有ACE（Buerge等人，2009年）。在河水和地下水中，ACE的浓度分别达到53.7 μg/L和9.7 μg/L（Belton、Schaefer和Guiney，2020年）。此外，Sang等人（2014年）调查了香港沿海海水中ASs的浓度，发现其顺序为：ACE（0.34 μg/L）> SAC（0.25 μg/L）> CYC（0.23 μg/L）> SUC（0.2 μg/L）。基于Song等人2020年之前的环境监测数据总结，本研究补充了自2020年以来主要全球地区和各种环境介质（包括地表水、地下水、饮用水和污水处理厂（WWTP）出水中ACE的关键环境浓度数据（表1）。
新兴的生态毒理学证据表明，ACE对陆地和水生生态系统产生了多层次的生物影响。ACE可能破坏蚯蚓（Lin、Liu等人，2024年）和无脊椎动物土壤弹尾虫（Lin、Guo等人，2024年）的代谢和生物合成途径。此外，研究表明，怀孕和哺乳期雌性小鼠摄入ACE会导致后代的代谢和生殖效应（Bridge-Comer等人，2021年）。ACE还促进了小鼠体内促炎细胞因子的表达，导致小肠组织损伤、肠道通透性增强和肠道菌群失衡（Hanawa等人，2021年）。在水生生态系统中，ACE表现出更明显的毒性效应。在与环境相关的浓度（0.05和149 μg/L）下，它可诱导普通鲤鱼（Cyprinus carpio）的氧化应激，导致血液、肝脏、鳃、大脑和肌肉中的脂质和蛋白质损伤（Cruz-Rojas等人，2019年）。此外，ACE可能对斑马鱼的中枢神经系统功能产生负面影响，增加大脑中的自由基产生并降低乙酰胆碱酯酶的活性（Colín-García等人，2023年）。即使在相对较低的浓度（0.1 μg/L）下，ACE也会抑制水蚤的心脏和神经功能（Wiklund、Guo和Gorokhova，2023年）。从这个角度来看，水环境中的ACE污染已成为一个迫切需要解决的环境问题，这有助于完善环境生态风险评估的数据框架。
人工甜味剂作为日常生活中不可或缺的糖替代品，用于增强食物的甜味，但它们不是为生物体提供能量的碳水化合物。因此，它们常被推荐给2型糖尿病患者以减少热量摄入并控制血糖（Radenkovic，2023年）。然而，许多研究表明，ASs可以引起动物和人类的糖脂代谢紊乱。研究表明，连续数周摄入ASs会导致小鼠出现葡萄糖不耐受（Carr，2014年）。巴黎北索邦大学的一个团队进行了为期九年的研究，涉及超过10万名参与者，发现高摄入量的阿斯巴甜、乙酰磺胺、三氯蔗糖和其他甜味剂会增加2型糖尿病的风险（Daoust，2023年）。Suez等人还发现，ASs通过改变肠道微生物群会影响健康成年人的血糖水平（Suez等人，2022年；Mora和Dando，2021年）。ASs的摄入进一步导致代谢变化，影响胰岛素敏感性、短链脂肪酸（SCFA）的产生、脂质代谢和炎症。进一步的研究表明，ASs干扰脂质代谢并促进脂质积累，这与神经调节有关，并具有潜在的致肥胖效应（Jiang等人，2024年）。值得注意的是，环境中最常见的AS——ACE与生物糖脂代谢系统之间的相互作用机制仍然相对有限。因此，本研究深入探讨了ACE对生物体糖脂代谢的全面影响，从基因表达层面入手。
斑马鱼（Danio rerio）作为一种小型脊椎动物模型，拥有70%的人类同源基因（Saberi等人，2023年）。此外，其生命周期短、繁殖能力强、易于饲养且成本低，使其成为跨物种比较化学物质对人体毒理学不良后果的理想模型（Hou等人，2023年）。斑马鱼的肝脏在基因、结构和对肝脏疾病的反应机制方面与人类相似，广泛用于生物毒理学和糖脂代谢的研究（Zhang等人，2021年；Ou-Yang等人，2024年；Zhu等人，2025年）。尽管现有研究表明ASs对陆地和水生生态系统产生了多层次的生物影响，但关于ACE对生物体生态毒性的研究仍然相对较少。特别是从基因表达角度探讨ACE与生物糖脂代谢系统相互作用的研究更为不足。在本研究中，使用斑马鱼作为模型生物，探讨ACE对肝脏的生态毒性效应以及糖脂代谢的分子机制，包括抗氧化酶活性、神经毒性、脂质氧化水平、DNA损伤程度、凋亡以及与糖脂代谢相关的基因表达特征。研究结果将为评估ACE的环境风险提供科学依据，并为制定适当的环境管理措施提供重要参考。
部分内容摘要
化学物质和试剂
ACE（CAS:55589-62-3，纯度≥98%）购自Aladdin Biochemical Science and Technology Co Ltd（中国上海），其他化学试剂则由天津Kemeo Chemical Reagent Co., Ltd.（中国）和Kangwei Century Co., Ltd.及Solarbio Co., Ltd.（中国）生产。斑马鱼的饲养和实验设计
来自中国泰安Haitian Aquarium的成年斑马鱼（平均体长3 ± 0.5 cm）在28 ± 1 °C的温度下饲养两周，光照-黑暗周期为12:12小时。斑马鱼喂食常规商业鱼饲料ACE对斑马鱼肝脏中ROS水平和抗氧化酶活性的影响
暴露于ACE的斑马鱼肝脏中，SOD和CAT的活性表现出相似的趋势（图1A、B）。第14天时，所有处理组的活性均受到抑制，其中T1组和T3组的抑制效果更为明显。具体而言，ACE使SOD含量分别降低了12.1%、9.3%和13.8%，CAT含量分别降低了24.6%、9.4%和29.1%（p < 0.05）。到第28天时，T1组和T2组的SOD和CAT活性继续ACE引起的氧化应激和抗氧化系统失衡
在本研究中，斑马鱼暴露于与环境相关的ACE浓度下28天。结果显示，ACE诱导的ROS超过了其自身的清除能力，导致脂质过氧化和DNA损伤。随着暴露时间的延长，ACE持续抑制抗氧化酶（SOD和CAT）的活性，并诱导ROS的产生，进一步导致脂质过氧化和DNA损伤。ROS包括超氧自由基等结论
本研究揭示了斑马鱼在暴露于人工甜味剂ACE时肝脏的生理毒性、神经毒性和糖脂代谢紊乱。结果表明，ACE暴露显著抑制了斑马鱼肝脏中的抗氧化酶，导致ROS积累、脂质过氧化和DNA损伤。此外，ACE通过氢键作用抑制了AChE的活性，从而干扰胆碱能神经传递，同时激活了GAD作者贡献声明
王军：监督、资金获取。丁敏：监督、资金获取、概念构思。刘雪：写作——初稿撰写、实验研究、数据分析、概念构思。江楠：写作——审稿与编辑、资源协调、概念构思。王倩：方法学设计、实验研究、数据分析。穆宝燕：方法学设计、数据分析。吕慧娟：方法学设计、数据分析。李贤旭：写作——审稿与编辑、方法学设计。周亚丽：方法学设计、实验研究、数据分析。未引用参考文献
Lin等人，2024年；Teng等人，2024年；Wang等人，2024年。利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
