西方飲食模式與心理健康有著不利的聯系。然而，習慣性食用油炸食品對焦慮和抑郁的長期影響及其內在機制仍不清楚。本文對 140,728 人進行的人群研究顯示，經常食用油炸食品，尤其是油炸土豆，與焦慮和抑郁風險分別增加 12% 和 7% 密切相關。這種關聯在男性和年輕消費者中更為明顯。長期接觸油炸食品中具有代表性的食品加工污染物--丙烯酰胺會加劇斑馬魚的暗性趨向和趨觸性，并進一步損害成年斑馬魚的探索能力和社會性，表現出類似焦慮和抑郁的行為。此外，丙烯酰胺還能顯著下調與血腦屏障通透性有關的 tjp2a 基因表達。多組學分析表明，長期暴露于丙烯酰胺會誘發腦脂質代謝紊亂和神經炎癥。PPAR 信號通路介導了丙烯酰胺誘導的斑馬魚腦脂質代謝紊亂。尤其是，長期暴露于丙烯酰胺會導致鞘脂和磷脂代謝失調，這在焦慮和抑郁癥狀的發展中起著重要作用。此外，丙烯酰胺還會促進脂質過氧化和氧化應激，從而參與腦神經炎癥。丙烯酰胺會顯著增加脂質過氧化標志物，包括 (±)5-HETE、11(S)-HETE 和 5-oxoETE，并上調促炎脂質介質的表達，如 (±)12-HETE 和 14(S)-HDHA，這表明長期暴露于丙烯酰胺后大腦炎癥狀態升高。這些結果從流行病學和機理兩方面為揭示丙烯酰胺誘發焦慮和抑郁的機制提供了有力證據，并強調了減少油炸食品攝入對心理健康的重要意義。本文于2023年5月發表在《Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA》IF：11.1期刊上。

技術路線

主要的實驗結果

1、油炸食品飲食與焦慮和抑郁癥狀的發生有關

       為評估油炸食品攝入量與焦慮和抑郁癥狀的關系，作者排除了缺乏飲食記錄、焦慮狀態、抑郁狀態和/或其他精神健康狀況信息的參與者，最終從英國生物庫研究中招募了140728人（圖1A）。圖1B顯示了根據油炸食品消費情況劃分的參與者的基線特征。在平均11.3年的隨訪期間，分別發現了8294和12735例焦慮和抑郁癥狀。與非食用者相比，每天食用超過一份油炸食品的參與者更可能是男性、年輕人和活躍的吸煙者。此外，他們的體重指數較高，家庭收入和教育水平較低，維生素補充劑使用率較低，能量攝入量較高。

圖1 研究設計和研究參與者的基本特征

2、長期暴露于丙烯酰胺誘導斑馬魚焦慮樣行為特征通過加劇暗性趨向和趨觸性

       在人體研究中，膳食暴露于丙烯酰胺（油炸食品中的一種典型加工污染物）與焦慮和抑郁癥狀之間的因果關系和作用機制仍不清楚。作者隨后建立了一個長期暴露于丙烯酰胺的斑馬魚模型（AB 株），以研究丙烯酰胺如何誘導焦慮和抑郁（圖 2A）。長期暴露于丙烯酰胺（0.5 mM）180 d 會導致雄性斑馬魚的體重和體長分別顯著下降（圖 2 B 和 C）。值得注意的是，在低濃度水平（0.125、0.25 和 0.5 mM）下長期暴露于丙烯酰胺，通過觀察成體斑馬魚的游動軌跡，可以明顯地增強它們的趨暗性，從而在光/暗偏好試驗中誘發類似焦慮的行為（圖 2D），這表明在黑暗區域花更多時間的斑馬魚的焦慮程度更高。進一步評估了暗區棲息（焦慮樣行為的指標）及其顯著性水平，其中暗區棲息的距離、持續時間、潛伏期和穿越時間等參數與暗區棲息密切相關。具有代表性的雷達圖和可視化熱圖顯示，與對照組相比，高暴露組（0.5 mM丙烯酰胺）斑馬魚的游泳軌跡發生了顯著變化（圖 2 E 和 F）。就行為軌跡的詳細參數而言，長期暴露于 0.5 mM 丙烯酰胺會顯著提高暗區的游泳時間和距離比，而抑制亮區的游泳時間和距離比（圖 2 G 和 H）。此外，還發現在丙烯酰胺暴露組中，斑馬魚在暗區的凝滯時間呈劑量依賴性增加趨勢；但在亮區的趨勢似乎并不明顯（圖 2I）。為進一步確定斑馬魚的焦慮狀態，統計了所有組別斑馬魚在光區和暗區之間的穿越時間。直方圖結果顯示，水體暴露于中等濃度和高濃度（0.25 和 0.5 mM）的丙烯酰胺 180 天后，斑馬魚的穿越時間顯著增加（圖 2J）。影片顯示，與對照組的斑馬魚相比，丙烯酰胺處理組的斑馬魚在暗區停留的時間更長，在明區和暗區之間游動的次數更多，表明其焦慮程度更高。將測試結果匯總后，分層聚類分析得出結論：長期使用丙烯酰胺會顯著增加斑馬魚的趨暗性（圖 2K）。

圖2 長期暴露于丙烯酰胺（AA）的斑馬魚在光/暗偏好測試中的行為特征

3、長期暴露于丙烯酰胺會降低斑馬魚的探索能力并損害其社會性從而誘發焦慮和抑郁樣行為

       當斑馬魚遷移到一個新的環境時，它們會潛入并停留在安全的家園尋求保護，直到它們感到足夠安全，才會探索陌生的環境。游泳軌跡顯示，對照組斑馬魚能迅速探索和適應新環境，但長期暴露于丙烯酰胺會降低斑馬魚適應陌生環境的能力（圖 3A）。可視化熱圖顯示，與對照組相比，丙烯酰胺暴露組斑馬魚的游泳軌跡發生了顯著變化（圖 3B）。此外，還發現在丙烯酰胺暴露組中，1 區的游泳時間和距離比呈劑量依賴性下降趨勢；長期暴露于丙烯酰胺（0.5 mM）會顯著減少 1 區的游泳時間和距離，而增加 2 區的游泳時間和距離（圖 3 C 和 D）。

       在社會性偏好測試中，與對照組相比，暴露于丙烯酰胺組斑馬魚游泳軌跡的代表性雷達圖和可視化熱圖顯示了斑馬魚社會性偏好的顯著變化，表明長期暴露于丙烯酰胺會顯著損害斑馬魚的社會性（圖 3 E-G）。在行為軌跡的詳細參數方面，長期暴露于丙烯酰胺（0.5 mM）會顯著增加左區的游泳時間和距離比，而降低右區的游泳時間和距離比（圖 3 H 和 I）。值得注意的是，長期暴露于丙烯酰胺（0.5 mM）會顯著增加穿越中線的時間和次數（圖 3 J 和 K）。此外，分層聚類分析（圖 3L）也支持上述結果。綜上所述，長期暴露于丙烯酰胺180天會降低斑馬魚的探索能力和社會性，從而增加斑馬魚出現焦慮和抑郁癥狀的風險。

圖3 丙烯酰胺長期暴露對斑馬魚在新對象探索試驗和社會偏好試驗中的行為特征

4、長期暴露于丙烯酰胺會誘發腦脂質代謝紊亂和免疫反應

       為闡明丙烯酰胺誘導斑馬魚行為異常和生長遲緩的內在機制，接下來對長期暴露于丙烯酰胺的斑馬魚大腦進行轉錄組分析。主成分分析（PCA）表明，六個樣本被明顯區分為兩組（圖 4A）。與對照組相比，丙烯酰胺（0.5 mM）處理組有 466 個差異表達基因（DEGs），包括 173 個上調基因和 293 個下調基因（圖 4B）。基于這些 DEGs，最終篩選出了 10 個在 BP 中富集的 GO 術語（圖 4C）。結果表明，BP 中最多的術語是免疫反應、免疫系統過程、抗原處理和表達、多細胞生物過程和對脂質的反應。此外，6 個 KEGG 通路因長期暴露于丙烯酰胺而明顯富集（圖 4D），它們涉及花生四烯酸代謝、氨基酸的生物合成、細胞因子-細胞因子受體相互作用、JAK-STAT 信號通路、亞油酸代謝和 PPAR 信號通路。隨后，在蛋白質-蛋白質網絡中，與免疫反應和脂質代謝相關的基因表達產物之間的相互作用最為明顯（圖 4E）。還發現了細胞因子-細胞因子受體相互作用、PPAR 信號轉導和 JAK-STAT 信號通路相關基因表達產物之間的相互作用（圖 4F）。基因表達上調和下調的變化情況見直方圖和熱圖（圖 4G）。值得注意的是，與脂質反應相關的通路被抑制（圖 4H）。總之，這些研究結果表明，長期暴露于丙烯酰胺會誘導由 PPAR 信號通路介導的腦脂質代謝紊亂，并引起免疫反應。

圖4 慢性暴露于丙烯酰胺誘導脂質擾動和炎癥反應基于DEGs分析

5、長期暴露于丙烯酰胺會通過擾亂脂質代謝和炎癥反應誘發焦慮和抑郁癥狀

       作者此前通過斑馬魚的腦組織脂質代謝組檢測明確了腦脂質代謝紊亂與丙烯酰胺誘導的焦慮和抑郁癥狀有關。為進一步研究了暴露于丙烯酰胺導致斑馬魚大腦脂質代謝功能障礙的內在機制。脂質組學和轉錄組學的整合分析可增強對潛在生物過程的理解，并能在系統水平上把握暴露于有毒物質的作用機制。目前，利用脂質組學和轉錄組學對基于通路的全息數據進行整合，有利于在 KEGG 數據庫定義的網絡分支點發現基因與代謝物之間的關系。在此，作者評估并確定了具有統計學意義的基因和脂質代謝物數據集，表明這些重要基因和脂質之間存在密切的相互作用（圖 5A）。同時，從轉錄組圖譜中富集的 KEGG 通路顯示，暴露于丙烯酰胺會干擾 PPAR 信號通路、JAK-STAT 信號通路、脂質轉運、氨基酸的生物合成以及亞油酸和花生四烯酸的代謝。此外，進行了基于通路的脂質組學-轉錄組學整合分析，以研究丙烯酰胺暴露對 PPAR 信號通路和脂質代謝的影響（圖 5B）。

圖5 慢性暴露于丙烯酰胺通過PPAR信號通路干擾膽固醇代謝和花生四烯酸代謝

       總之，長期暴露于丙烯酰胺，一方面會通過PPAR信號通路導致腦部脂質代謝紊亂，表現為鞘脂類和磷脂類豐度下降，一方面會因ROS升高引起神經炎癥，兩者共同作用最終導致焦慮和抑郁樣行為。

圖6 丙烯酰胺在斑馬魚中的作用示意圖

實驗方法

受試者數據收集，油炸食品、油炸白肉和油炸土豆消耗量的測量，抑郁和焦慮癥狀的結果測量，協變量分析，斑馬魚模型構建，明暗箱實驗，新型潛水實驗，新目標探索實驗，社會偏好實驗，HE染色，油紅O染色，轉錄組測序，qRT-PCR，脂質組分析，轉錄組和脂質組的聯合分析，腦神經遞質檢測

參考文獻

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.