膳食中的葉黃素通過恢復黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）體內的氧化平衡和鈣平衡，從而保護其免受苯甲酸埃瑪菌素（Emamectin benzoate）引起的神經毒性損傷
《Food Bioscience》：Dietary lutein protects against Emamectin benzoate induced neurotoxicity by restoring oxidative and calcium balance in
Drosophila melanogaster
編輯推薦：
神經毒性機制與玉米黃質保護效應：果蠅模型中Emamectin Benzoate誘導氧化應激及鈣穩態紊亂的緩解作用。
Kiran P C | Pramod Kumar P | K.V. Harish Prashanth | Devaraju K S
印度卡納塔克邦達爾瓦德（Dharwad-580003）卡納塔克大學生物化學系（神經化學實驗室）
摘要
苯甲酸埃瑪菌素（EMZ）在農業中廣泛應用；然而，其潛在的非靶標神經毒性作用尚未得到充分研究。本研究探討了膳食類胡蘿卜素葉黃素（LUT）對Drosophila melanogaster中EMZ誘導的神經毒性的保護作用。成年雄性果蠅暴露于1 ng/mL的EMZ 7天后，表現出顯著的行為障礙和氧化應激增加，導致死亡率上升。同時給予LUT和EMZ顯著改善了運動功能（24-71%）和存活率（9天）。生化檢測顯示，LUT聯合治療通過恢復抗氧化酶（包括過氧化氫酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）和谷胱甘肽-S-轉移酶（GST）的水平，減輕了EMZ在果蠅頭部和身體部位的毒性。此外，LUT還顯著提高了膜結合酶（如琥珀酸脫氫酶和NADH-細胞色素c還原酶）的活性。值得注意的是，LUT緩解了與EMZ暴露相關的膽堿能功能障礙和多巴胺耗竭，從而保持了正常的腦組織結構。基因表達研究表明，EMZ暴露上調了鈣調蛋白的表達，下調了鈣網蛋白、calx、regucalcin和SERCA的mRNA表達，導致鈣（Ca2+）穩態紊亂和潛在的細胞功能障礙。LUT的聯合治療以濃度依賴的方式有效恢復了這些異常。此外，對接研究顯示，LUT對參與Ca2+穩態的蛋白質具有良好的結合親和力，范圍為-1.635至-12.095 kcal/mol。總體而言，這些發現表明LUT通過減輕氧化應激、維持Ca2+信號平衡和改善Drosophila melanogaster的神經元功能，發揮神經保護作用。
引言
農藥的過度和不受控制的使用會污染食物，并通過危害非目標生物（包括微生物、昆蟲、鳥類、真菌、魚類和哺乳動物）對環境造成危害，從而影響它們的生存、生長、繁殖和行為，還會引發其他代謝和生理紊亂（Lu等人，2024；X. Shi等人，2024；Wan等人，2025；Zhang等人，2025）。世界衛生組織報告稱，每年有37萬人因農藥中毒死亡（El-Sarnagawy等人，2022）。各種實驗模型顯示，農藥暴露會導致神經毒性（Meijer等人，2014；Sule等人，2022）。這些結果與人類和臨床前模型中觀察到的癥狀一致，包括肌肉束攣縮、呼吸肌麻痹和癲癇發作（Biosca-Brull等人，2021；Calsbeek等人，2021；dos Santos等人，2016）。此外，農藥還會擾亂Ca2+穩態，這是調節神經元活動（如興奮性、神經傳遞和基因表達）的關鍵過程（Costas-Ferreira & Faro，2021）。Ca2+濃度的變化可能觸發一系列有害的細胞機制，包括線粒體功能紊亂和自由基的產生，最終導致細胞死亡（Lee等人，2024；Mattson，2007）。先前的研究還表明，特定神經元群體對Ca2+穩態失調的敏感性在某些神經退行性疾病（NDDs）的發展中起著關鍵作用（Gandhi等人，2009；Riascos等人，2011）。這些結果表明，中樞神經系統（CNS）特別容易受到細胞內Ca2+穩態紊亂的影響。
在農藥中，苯甲酸埃瑪菌素（EMZ）是一種半合成的阿維菌素衍生物，廣泛用于防治多種害蟲。美國環境保護署（EPA）的農藥資料表將EMZ列為對哺乳動物具有顯著毒性的物質（Zhang等人，2017）。殘留物和飲食風險評估研究表明，EMZ經常在芒果、玉米、豇豆、Allium tuberosum和Dendrobium officinale等作物中被檢測到，這凸顯了監測其持久性和評估潛在飲食暴露以確保消費者安全的必要性（Bian等人，2020；Meng等人，2025；Wang等人，2021）。EMZ的親脂性使其能夠輕易穿過細胞膜，從而引發氧化應激、炎癥和細胞凋亡（Noshy & Azouz，2021；Zhang等人，2022）。作為一種神經毒素，EMZ會干擾γ-氨基丁酸（GABA）的正常功能（Gu等人，2023）。該化合物與GABA受體相互作用，增強氯通道的開放，增加肌肉和神經膜上的氯離子通透性（Lalmalsawmi等人，2024）。口服EMZ會導致小鼠大腦皮層中丙二醛（MDA）的積累，并降低抗氧化酶的活性，從而引發氧化應激（Temiz，2022）。EMZ還會抑制乙酰膽堿酯酶（AChE）的活性，并在Oreochromis niloticus幼魚和鯉魚中引起異常的腦組織結構（Abraham等人，2024；Zhang等人，2022）。此外，EMZ暴露還會擾亂線粒體穩態，促進鯉魚腎組織的自噬和鐵死亡（Li等人，2024）。這些觀察結果表明，EMZ通過多種生化途徑引發神經毒性。盡管如此，EMZ誘導的神經毒性的確切分子機制仍不清楚。其神經毒性特征以及其他農藥的數據表明，可能存在鈣（Ca2+穩態的紊亂，這需要進一步研究。
在這種情況下，Drosophila模型被廣泛用于識別多種具有神經毒性的物質（Rand等人，2023）。它在生理和遺傳上與高等脊椎動物相似，飼養成本低，基因組已完全測序，并且具備基因編輯工具，使其成為分析多種化合物神經毒性的理想模型（Dahleh和Prigol，2023；Pramod Kumar等人，2022；Monier等人，2024）。由于Drosophila具有高度保守的神經系統，研究人員可以研究神經毒素（如酒精或輻射）如何干擾Ca2+調節（Chvilicek等人，2020；Lee等人，2018；Zhang等人，2023），這對神經傳遞、突觸可塑性和神經元存活至關重要。Drosophila模型的遺傳可操作性和短壽命使得快速篩選參與Ca2+信號的基因和途徑成為可能（Dube等人，2000）。此外，經過驗證的實驗方法（如負趨地性、攀爬、嗅覺學習和求偶條件反射）能夠可靠地評估果蠅的運動和認知功能，其結果與嚙齒動物神經行為實驗相當（Gajardo等人，2023；Pak & Murashov，2021）。這可能進一步將Ca2+失調與功能障礙聯系起來（Vajente等人，2020），使Drosophila成為探索神經毒性機制和潛在干預措施的理想系統。
新興研究表明，植物來源的生物活性化合物具有強大的抗氧化特性，能夠在Drosophila模型中抑制各種環境污染物引起的氧化損傷（Pramod Kumar等人，2024；Villegas-Aguilar等人，2024）。在多種生物活性化合物中，葉黃素（LUT）作為一種黃酮類胡蘿卜素，已被證明可以通過調節多種生物途徑發揮神經保護作用（Jayakanthan等人，2024）。此外，一項基于群體的研究發現了LUT濃度與成年腦組織認知功能之間的關系，發現 在類胡蘿卜素中，只有LUT與廣泛的認知活動（包括執行功能、語言、學習和記憶）持續相關（Johnson等人，2013）。先進的LUT遞送系統已被證明可以在缺血-再灌注的哺乳動物模型中增強線粒體功能并防止氧化損傷，顯示出抗氧化和神經保護作用，表明其藥理潛力超出了傳統的抗氧化途徑（P. Shi等人，2024）。盡管這些神經保護作用的分子基礎尚不清楚，但已提出幾種機制，包括減輕氧化應激和激活抗炎途徑（Iyer等人，2024；Pap等人，2022）。一些研究還表明，類胡蘿卜素可以調節Ca2+信號傳導（Cho等人，2018）。該化合物在模擬阿爾茨海默病和帕金森病的鼠模型中顯示出治療效果（Fernandes等人，2021；Nazari等人，2022）。因此，鑒于LUT的抗氧化特性及其緩解氧化應激的能力，當前的研究旨在利用Drosophila模型探索其在EMZ誘導的氧化應激和Ca2+穩態相關基因紊亂中的神經保護作用。這項研究的結果可能為LUT在減輕環境神經毒素（如EMZ）的有害影響方面的治療效果提供寶貴見解。
材料
LUT（CAS編號127-40-2）、多巴胺（DA）、乙酰硫代膽堿碘化物和丁基硫代膽堿碘化物購自Sigma Aldrich（美國）。EMZ（CAS編號155569-91-8）購自印度班加羅爾的Honeychem Pharma。所有其他分析級化學品均購自Himedia India。
果蠅品系和飼養
Drosophila melanogaster的Oregon K野生品系購自印度卡納塔克邦Manasagangotri的Mysore大學果蠅資源中心。果蠅在12小時光照/黑暗周期下飼養，溫度為24℃
EMZ導致果蠅行為異常并增加死亡率
果蠅暴露于1–5 ng/mL的EMZ濃度后，7天的死亡率分別為55%、68%、81%、84%和100%（p<0.05）（圖1A）。這些結果表明，EMZ具有高度毒性，可能導致神經退化和運動功能受損。此外，暴露于EMZ的果蠅表現出運動功能障礙，其攀爬能力分別下降到41%、52%、63%和67%（p<0.05）
討論
最新證據表明，EMZ暴露會導致廣泛的毒理學效應，包括神經損傷（Pan等人，2024）。在我們的研究中，EMZ在果蠅中的LC50為1 ng/mL，表明即使低濃度的EMZ也對Drosophila有害。先前的研究報道，斑馬魚和鯉魚在0.25 μg/mL和3.005 μg/L的濃度下也易受EMZ的影響（Gu等人，2023；Zhang等人，2022）。這些發現
結論
總之，本研究表明，EMZ暴露顯著增加了氧化應激并擾亂了Ca2+穩態，導致Drosophila melanogaster的神經毒性。EMZ暴露導致氧化損傷增加、抗氧化酶活性降低、線粒體功能障礙以及關鍵神經遞質系統（包括膽堿酯酶和多巴胺水平）的變化。值得注意的是，這是首次報道EMZ在Drosophila中引起Ca2+穩態紊亂的情況。
作者貢獻聲明
Keelara Veerappa Harish Prashanth：撰寫 – 審稿與編輯、驗證、監督、資源提供、概念構思。Devaraju K S：撰寫 – 審稿與編輯、可視化、驗證、監督、概念構思。Kiran P C：撰寫 – 初稿撰寫、方法學設計、實驗研究、數據分析、概念構思。Pramod Kumar P：驗證、方法學設計、數據分析
未引用的參考文獻
A等人，2016；Shi等人，2024；Zhang等人，2017。
致謝
作者Kiran P. C. 感謝卡納塔克邦政府提供的OBC獎學金。
