真可怕——美味的油炸竟然会诱发焦虑和抑郁

       西方饮食模式与心理健康有着不利的联系。然而，习惯性食用油炸食品对焦虑和抑郁的长期影响及其内在机制仍不清楚。本文对 140,728 人进行的人群研究显示，经常食用油炸食品，尤其是油炸土豆，与焦虑和抑郁风险分别增加 12% 和 7% 密切相关。这种关联在男性和年轻消费者中更为明显。长期接触油炸食品中具有代表性的食品加工污染物--丙烯酰胺会加剧斑马鱼的暗性趋向和趋触性，并进一步损害成年斑马鱼的探索能力和社会性，表现出类似焦虑和抑郁的行为。此外，丙烯酰胺还能显著下调与血脑屏障通透性有关的 tjp2a 基因表达。多组学分析表明，长期暴露于丙烯酰胺会诱发脑脂质代谢紊乱和神经炎症。PPAR 信号通路介导了丙烯酰胺诱导的斑马鱼脑脂质代谢紊乱。尤其是，长期暴露于丙烯酰胺会导致鞘脂和磷脂代谢失调，这在焦虑和抑郁症状的发展中起着重要作用。此外，丙烯酰胺还会促进脂质过氧化和氧化应激，从而参与脑神经炎症。丙烯酰胺会显著增加脂质过氧化标志物，包括 (±)5-HETE、11(S)-HETE 和 5-oxoETE，并上调促炎脂质介质的表达，如 (±)12-HETE 和 14(S)-HDHA，这表明长期暴露于丙烯酰胺后大脑炎症状态升高。这些结果从流行病学和机理两方面为揭示丙烯酰胺诱发焦虑和抑郁的机制提供了有力证据，并强调了减少油炸食品摄入对心理健康的重要意义。本文于2023年5月发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA》IF：11.1期刊上。

技术路线

主要的实验结果

1、油炸食品饮食与焦虑和抑郁症状的发生有关

       为评估油炸食品摄入量与焦虑和抑郁症状的关系，作者排除了缺乏饮食记录、焦虑状态、抑郁状态和/或其他精神健康状况信息的参与者，最终从英国生物库研究中招募了140728人（图1A）。图1B显示了根据油炸食品消费情况划分的参与者的基线特征。在平均11.3年的随访期间，分别发现了8294和12735例焦虑和抑郁症状。与非食用者相比，每天食用超过一份油炸食品的参与者更可能是男性、年轻人和活跃的吸烟者。此外，他们的体重指数较高，家庭收入和教育水平较低，维生素补充剂使用率较低，能量摄入量较高。

图1 研究设计和研究参与者的基本特征

2、长期暴露于丙烯酰胺诱导斑马鱼焦虑样行为特征通过加剧暗性趋向和趋触性

       在人体研究中，膳食暴露于丙烯酰胺（油炸食品中的一种典型加工污染物）与焦虑和抑郁症状之间的因果关系和作用机制仍不清楚。作者随后建立了一个长期暴露于丙烯酰胺的斑马鱼模型（AB 株），以研究丙烯酰胺如何诱导焦虑和抑郁（图 2A）。长期暴露于丙烯酰胺（0.5 mM）180 d 会导致雄性斑马鱼的体重和体长分别显著下降（图 2 B 和 C）。值得注意的是，在低浓度水平（0.125、0.25 和 0.5 mM）下长期暴露于丙烯酰胺，通过观察成体斑马鱼的游动轨迹，可以明显地增强它们的趋暗性，从而在光/暗偏好试验中诱发类似焦虑的行为（图 2D），这表明在黑暗区域花更多时间的斑马鱼的焦虑程度更高。进一步评估了暗区栖息（焦虑样行为的指标）及其显著性水平，其中暗区栖息的距离、持续时间、潜伏期和穿越时间等参数与暗区栖息密切相关。具有代表性的雷达图和可视化热图显示，与对照组相比，高暴露组（0.5 mM丙烯酰胺）斑马鱼的游泳轨迹发生了显著变化（图 2 E 和 F）。就行为轨迹的详细参数而言，长期暴露于 0.5 mM 丙烯酰胺会显著提高暗区的游泳时间和距离比，而抑制亮区的游泳时间和距离比（图 2 G 和 H）。此外，还发现在丙烯酰胺暴露组中，斑马鱼在暗区的凝滞时间呈剂量依赖性增加趋势；但在亮区的趋势似乎并不明显（图 2I）。为进一步确定斑马鱼的焦虑状态，统计了所有组别斑马鱼在光区和暗区之间的穿越时间。直方图结果显示，水体暴露于中等浓度和高浓度（0.25 和 0.5 mM）的丙烯酰胺 180 天后，斑马鱼的穿越时间显著增加（图 2J）。影片显示，与对照组的斑马鱼相比，丙烯酰胺处理组的斑马鱼在暗区停留的时间更长，在明区和暗区之间游动的次数更多，表明其焦虑程度更高。将测试结果汇总后，分层聚类分析得出结论：长期使用丙烯酰胺会显著增加斑马鱼的趋暗性（图 2K）。

图2 长期暴露于丙烯酰胺（AA）的斑马鱼在光/暗偏好测试中的行为特征

3、长期暴露于丙烯酰胺会降低斑马鱼的探索能力并损害其社会性从而诱发焦虑和抑郁样行为

       当斑马鱼迁移到一个新的环境时，它们会潜入并停留在安全的家园寻求保护，直到它们感到足够安全，才会探索陌生的环境。游泳轨迹显示，对照组斑马鱼能迅速探索和适应新环境，但长期暴露于丙烯酰胺会降低斑马鱼适应陌生环境的能力（图 3A）。可视化热图显示，与对照组相比，丙烯酰胺暴露组斑马鱼的游泳轨迹发生了显著变化（图 3B）。此外，还发现在丙烯酰胺暴露组中，1 区的游泳时间和距离比呈剂量依赖性下降趋势；长期暴露于丙烯酰胺（0.5 mM）会显著减少 1 区的游泳时间和距离，而增加 2 区的游泳时间和距离（图 3 C 和 D）。

       在社会性偏好测试中，与对照组相比，暴露于丙烯酰胺组斑马鱼游泳轨迹的代表性雷达图和可视化热图显示了斑马鱼社会性偏好的显著变化，表明长期暴露于丙烯酰胺会显著损害斑马鱼的社会性（图 3 E-G）。在行为轨迹的详细参数方面，长期暴露于丙烯酰胺（0.5 mM）会显著增加左区的游泳时间和距离比，而降低右区的游泳时间和距离比（图 3 H 和 I）。值得注意的是，长期暴露于丙烯酰胺（0.5 mM）会显著增加穿越中线的时间和次数（图 3 J 和 K）。此外，分层聚类分析（图 3L）也支持上述结果。综上所述，长期暴露于丙烯酰胺180天会降低斑马鱼的探索能力和社会性，从而增加斑马鱼出现焦虑和抑郁症状的风险。

图3 丙烯酰胺长期暴露对斑马鱼在新对象探索试验和社会偏好试验中的行为特征

4、长期暴露于丙烯酰胺会诱发脑脂质代谢紊乱和免疫反应

       为阐明丙烯酰胺诱导斑马鱼行为异常和生长迟缓的内在机制，接下来对长期暴露于丙烯酰胺的斑马鱼大脑进行转录组分析。主成分分析（PCA）表明，六个样本被明显区分为两组（图 4A）。与对照组相比，丙烯酰胺（0.5 mM）处理组有 466 个差异表达基因（DEGs），包括 173 个上调基因和 293 个下调基因（图 4B）。基于这些 DEGs，最终筛选出了 10 个在 BP 中富集的 GO 术语（图 4C）。结果表明，BP 中最多的术语是免疫反应、免疫系统过程、抗原处理和表达、多细胞生物过程和对脂质的反应。此外，6 个 KEGG 通路因长期暴露于丙烯酰胺而明显富集（图 4D），它们涉及花生四烯酸代谢、氨基酸的生物合成、细胞因子-细胞因子受体相互作用、JAK-STAT 信号通路、亚油酸代谢和 PPAR 信号通路。随后，在蛋白质-蛋白质网络中，与免疫反应和脂质代谢相关的基因表达产物之间的相互作用最为明显（图 4E）。还发现了细胞因子-细胞因子受体相互作用、PPAR 信号转导和 JAK-STAT 信号通路相关基因表达产物之间的相互作用（图 4F）。基因表达上调和下调的变化情况见直方图和热图（图 4G）。值得注意的是，与脂质反应相关的通路被抑制（图 4H）。总之，这些研究结果表明，长期暴露于丙烯酰胺会诱导由 PPAR 信号通路介导的脑脂质代谢紊乱，并引起免疫反应。

图4 慢性暴露于丙烯酰胺诱导脂质扰动和炎症反应基于DEGs分析

5、长期暴露于丙烯酰胺会通过扰乱脂质代谢和炎症反应诱发焦虑和抑郁症状

       作者此前通过斑马鱼的脑组织脂质代谢组检测明确了脑脂质代谢紊乱与丙烯酰胺诱导的焦虑和抑郁症状有关。为进一步研究了暴露于丙烯酰胺导致斑马鱼大脑脂质代谢功能障碍的内在机制。脂质组学和转录组学的整合分析可增强对潜在生物过程的理解，并能在系统水平上把握暴露于有毒物质的作用机制。目前，利用脂质组学和转录组学对基于通路的全息数据进行整合，有利于在 KEGG 数据库定义的网络分支点发现基因与代谢物之间的关系。在此，作者评估并确定了具有统计学意义的基因和脂质代谢物数据集，表明这些重要基因和脂质之间存在密切的相互作用（图 5A）。同时，从转录组图谱中富集的 KEGG 通路显示，暴露于丙烯酰胺会干扰 PPAR 信号通路、JAK-STAT 信号通路、脂质转运、氨基酸的生物合成以及亚油酸和花生四烯酸的代谢。此外，进行了基于通路的脂质组学-转录组学整合分析，以研究丙烯酰胺暴露对 PPAR 信号通路和脂质代谢的影响（图 5B）。

图5 慢性暴露于丙烯酰胺通过PPAR信号通路干扰胆固醇代谢和花生四烯酸代谢

       总之，长期暴露于丙烯酰胺，一方面会通过PPAR信号通路导致脑部脂质代谢紊乱，表现为鞘脂类和磷脂类丰度下降，一方面会因ROS升高引起神经炎症，两者共同作用最终导致焦虑和抑郁样行为。

图6 丙烯酰胺在斑马鱼中的作用示意图

实验方法

受试者数据收集，油炸食品、油炸白肉和油炸土豆消耗量的测量，抑郁和焦虑症状的结果测量，协变量分析，斑马鱼模型构建，明暗箱实验，新型潜水实验，新目标探索实验，社会偏好实验，HE染色，油红O染色，转录组测序，qRT-PCR，脂质组分析，转录组和脂质组的联合分析，脑神经递质检测

参考文献

Wang A, Wan X, Zhuang P, Jia W, Ao Y, Liu X, Tian Y, Zhu L, Huang Y, Yao J, Wang B, Wu Y, Xu Z, Wang J, Yao W, Jiao J, Zhang Y. High fried food consumption impacts anxiety and depression due to lipid metabolism disturbance and neuroinflammation. Proc Natl Acad Sci USA. 2023 May 2;120(18):e2221097120. doi: 10.1073/pnas.2221097120. PMID: 37094155.