Sci Adv | 青春期高糖摄入是精神疾病发展的潜在危险因素
撰文︱郑媛嘉
责编︱王思珍
高糖摄入会增加许多慢性疾病的患病风险，如糖尿病、高血压和肾病等，也会诱发多种慢性精神疾病，包括精神分裂症（schizophrenia，SZ）和双相情感障碍（bipolar disorder，BD）。其中SZ和BD患者的糖消耗量约为同龄健康人的2倍，且SZ患者的糖消耗量与其症状呈正相关[1-3]。青少年每天从单糖中摄取的热量（约占每日总热量摄入的20%）高于其他年龄组[4]，在自述饮料消费量最高的青少年中，精神痛苦、多动和行为障碍的比值比最高[5]。但是关于青春期高糖摄入量对未来心理健康影响的研究目前还很少。
晚期糖基化终末产物（advanced glycation end products，AGEs）和活性羰基化合物是由含羰基分子和其他分子（如蛋白质的氨基）之间的不可逆非酶交联反应产生的，AGEs可诱导各种组织中炎症和氧化应激[6]，已有大量证据表明，精神疾病患者的促炎细胞因子升高（如IL-1和IL-6等）、氧化应激增加[7-10]。乙二醛酶I （glyoxalase I ，GLO1）是一种锌金属酶，通过形成S-乳糖-谷胱甘肽（S-lactoyl-glutathione）来保护细胞免受AGE毒性[11]。从抑郁状态的BD患者和重度抑郁症患者中观察到GLO1 mRNA水平降低，这表明GLO1蛋白量的减少和糖消耗的升高，可能与这些疾病中观察到的炎症和氧化应激增加有关[12]。另外，在BD和SZ患者的大脑样本中观察到血管损伤，提示多种遗传和环境因素也会对大脑毛细血管产生不利影响。慢性抗炎药物治疗也可预防精神疾病和血管损伤的核心表型，提示血管病变可能会影响对精神疾病的发展或状态。
2021年11月10日，日本东京都立大学医学研究所的Shinobu Hirai（第一作者、并列通讯作者）、Haruo Okado（通讯作者）等人在Science Advances上发表了题为“High-sucrose diets contribute to brain angiopathy with impaired glucose uptake and psychosis-related higher brain dysfunctions in mice”的文章，利用基因×环境（简称G×E）相作用相关的精神病相关表型的小鼠，探讨青春期过量的蔗糖摄入是否是SZ和BD的一个新的环境风险因素，并进一步鉴定了高糖摄入小鼠的血管病变和遗传易感性。
本文中作者使用了两种饲料，这两种饲料的总热量、碳水化合物、脂肪和蛋白质的热量比例相同，主要区别在于一种饲料的碳水化合物为淀粉，另一种为蔗糖。为了制备G×E小鼠，在鼠断乳后（出生后21天）各喂食上述饲料50天，以形成野生型（WT）+淀粉（对照，CTL），野生型（WT）+蔗糖（即环境因素，E），Glo1/+（杂合的Glo1基因敲除）小鼠+淀粉（即遗传因素，G），以及Glo1/+小鼠+蔗糖（即基因×环境因素，G×E）（图1A）。
图1 高糖饮食小鼠的精神病相关行为的影响。
（图源：Shinobu Hirai, et al., Sci Adv, 2021）
然后，通过声惊跳反射实验观察到两种Glo1/+小鼠反应降低，而WT的两组鼠未受影响（图1 B, C），但是自我梳理和筑巢实验中则蔗糖喂养的鼠变化较大（图1, G），旷场实验、脉冲前抑制（一种感觉-运动门控的测量）、位置偏好实验中则观察到基因×环境的鼠有显著的变化（图1 B、D、E）。这表明基因×环境结合可以产生新的精神疾病表型，这是通过单纯改变环境或基因所无法发现的。
由于SZ与纹状体中安非他明（amphetamine，一种抗忧郁、解疲劳药物）诱导的多巴胺释放的增加[13, 14]、内侧前额叶皮层（mPFC）和纹状体的多巴胺调节的失衡[15]有关。因此作者应用在体微透析技术检测了小鼠伏隔核（NAc）和内侧前额叶皮层（mPFC）中的多巴胺水平。发现在Glo1/+小鼠中，蔗糖饮食增加了NAc中基础多巴胺和安非他明诱导的多巴胺的释放（图1 H），使用阿立哌唑（aripiprazole，一种抗精神病药物）对蔗糖饲养的鼠进行7天治疗后，小鼠的过度运动和纹状体多巴胺释放增加完全被逆转（图1 I-J），这提示上述异常可能是由多巴胺信号异常引起的。
在SZ中，小清蛋白（parvalbumin，PV）阳性的GABA能中间神经元密度显著降低，并对脉冲前抑制和工作记忆调节具有重要作用[16-20]。基于此，作者接着研究了PV信号的改变是否有助于改变精神相关表型。结果显示，蔗糖喂养可导致Glo1/+和WT小鼠细胞PV减少（图2 A-D），并且显示出更高的低伽马振荡率（图2 E），伽马振荡功率只有蔗糖喂养的Glo1/+小鼠在接近新物体时没有增加（图2F），这表明G×E可以模拟行为表型中观察到的PV神经元的病理生理变化。综合上述的行为学结果提示了青春期蔗糖摄入过量是这些精神疾病的潜在环境风险因素。
图2 G×E鼠的PV神经元的病理生理变化（PPI：脉冲前抑制）。
（图源：Shinobu Hirai, et al., Sci Adv, 2021）
由于GLO1和高糖饮食都与糖基化毒性有关，作者紧接着又检测了AGE产物水平，发现G×E小鼠的血管内皮细胞中有更强的AGE免疫反应信号（图3 A-H），并且在蔗糖喂养的Glo1/+小鼠中，AGE的累积伴随着IBA1荧光强度的升高和CD68阳性区域的扩大（图4）。说明蔗糖喂养可使Glo1/+小鼠AGE在小胶质细胞和内皮细胞中的累积，并激活小胶质细胞。
图3 G×E鼠的AGE在血管内皮细胞的情况。
（图源：Shinobu Hirai, et al., Sci Adv, 2021）
图4 G×E鼠的AGE在小胶质细胞的情况。
（图源：Shinobu Hirai, et al., Sci Adv, 2021）
进一步的地，为了观察AGE在星形胶质细胞中的情况，作者应用特异性绿色荧光标记星形胶质细胞（GFP+/ALDH1L1+）的小鼠来评估星形胶质细胞在G×E条件下的影响。通常，AGEs导致的细胞损伤是由AGEs受体激活引起的炎症反应或AGEs使正常蛋白功能丧失所介导的 [21]，其特征是胶质原纤维酸蛋白（GFAP）表达升高[22, 23]。结果显示，G×E小鼠ALDH1L1增强，但GFAP阳性星形胶质细胞数量无变化（图3 I-K），说明蔗糖喂养时G× E小鼠星形胶质细胞仍处于静息状态。综上所述，高糖饮食可增强内皮细胞和小胶质细胞中AGE生成，并促使Glo1/+小鼠的星形胶质细胞转化为炎症前状态。
内皮细胞和星形胶质细胞是血脑屏障的组成部分，它通过调节营养物质和各种选择性通道，严格控制脑内环境[24]。接下来作者对PFC组织进行了转录组分析，发现凝血因子V（coagulation factor V）在G×E小鼠中表达显著增加（图5 A, B）。凝血因子V对纤维蛋白生成十分重要，纤维蛋白通过可与血小板聚合形成血凝块来止血，这种蛋白沉积则表明内皮细胞有异常[25]，在内皮细胞损伤的早期，纤维蛋白会在毛细血管中积累。基于此，作者又进一步研究了血管纤维蛋白的聚集情况，发现G×E鼠的内皮细胞血管腔侧有显著的纤维蛋白聚集（图5 C-G）。不过，在G×E小鼠中没有检测到阿尔茨海默病中观察到的脑实质纤维蛋白渗漏和沉积，这表明并还未发生物理性的血脑屏障破坏[26]。
图5 G×E鼠的血管病变和脑细胞外葡萄糖浓度。
（图源：Shinobu Hirai, et al., Sci Adv, 2021）
那么G×E小鼠中观察到的异常的血管内皮细胞和星形胶质细胞可以改变从血浆到脑实质的葡萄糖摄取吗？作者接下来测量了禁食后、进食1小时后、进食2小时后三种条件下的脑细胞外葡萄糖浓度。结果显示，WT小鼠mPFC脑区进食淀粉后1小时内葡萄糖浓度显著升高，2小时后降回基线水平。蔗糖喂养的WT小鼠和淀粉喂养的Glo1/+小鼠的情况相似，也是进食后升高，而后下降。但是蔗糖喂养的Glo1/+小鼠在mPFC中基础葡萄糖浓度显著降低，且蔗糖喂养后葡萄糖浓度无明显升高（图5 H-J）。这表明G×E小鼠中较低的大脑葡萄糖浓度是由于血脑屏障摄取减少，而不是血糖或胰岛素信号的失调。
非甾体抗炎药可以辅助改善精神障碍，阿司匹林是一种非甾体抗炎药，通常用于预防或减轻与高血压、缺血和心血管疾病相关的不良事件[27, 28]。由此作者对小鼠进行了阿司匹林治疗，观察能否防止G×E鼠的异常行为表型。结果显示，低剂量阿司匹林（1 mg/kg /天）可逆转小鼠的过度活动，以及脉冲前抑制、工作记忆和自我梳理等行为学测试中的异常（图6 A-D）。同时，阿司匹林治疗后还可使内皮纤维蛋白积累的减少和脑内葡萄糖的部分回升（图6 E-G）。这些结果表明，阿司匹林治疗G×E小鼠显著改善了血管病变和脑内葡萄糖摄取，这可能与几种行为异常的逆转有关。
图6 阿司匹林治疗后G×E鼠的行为表现、纤维蛋白和脑内葡萄糖浓度的变化。
（图源：Shinobu Hirai, et al., Sci Adv, 2021）
最后，作者又比较了健康、SZ和BD患者的大脑尸检情况，以验证是否在血管内皮细胞中表现出血管病性纤维蛋白积累。与在动物实验中的发现相似，SZ和BD患者的脑切片血管内皮中纤维蛋白的积累显著升高（图7 A-C）。
图7 精神疾病患者大脑血管尸检（A-C）；本研究假说G×E鼠中的功能和行为异常（D）。
（图源：Shinobu Hirai, et al., Sci Adv, 2021）
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl6077
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制版︱王思珍
本文完