Chronic Inhibition of Brain Glycolysis Initiates Epileptogenesis

慢性抑制腦糖酵解引發癲癇發生

來源：Journal of Neuroscience Research, Volume 95, 2017, pages 2195-2206

《神經科學研究雜志》，第95卷，2017年，頁碼2195-2206

 

摘要

這篇論文研究了慢性抑制腦糖酵解是否引發癲癇發生。摘要表明，腦低代謝是獲得性癲癇的共同風險因素，但能量代謝缺陷與癲癇發生之間的因果關系尚未明確。研究通過每天腦室注射不可代謝的葡萄糖類似物2-脫氧-D-葡萄糖（2-DG）建立體內慢性能量低代謝模型，并研究2-DG的急性效應。在海馬切片中，急性糖酵解抑制下調興奮性突觸傳遞，同時去極化神經元靜息電位和降低抑制性傳遞驅動。在體內，慢性2-DG應用4周誘導健康大鼠出現癲癇樣活動。結果提示，慢性抑制腦能量代謝（如癲癇患者中常見的葡萄糖利用減少）能引發癲癇發生。

 

研究目的

本研究旨在探討腦能量代謝缺陷是否作為癲癇發生的起始因素，具體目的是驗證慢性糖酵解抑制是否能直接引發癲癇發生，并闡明其潛在機制。研究試圖建立因果關系，證明腦低代謝不僅是癲癇的后果，而是驅動因素。

 

研究思路

研究采用體內和體外實驗結合。體外使用海馬切片，急性應用2-DG抑制糖酵解，測量電生理參數（如局部場電位、膜電位、GABA反轉電位）和代謝指標（如NAD(P)H熒光、氧消耗）。體內使用健康雄性Sprague-Dawley大鼠，通過每天腦室注射2-DG建立慢性糖酵解抑制模型，持續4周，記錄腦局部場電位（LFP），分析功率譜密度、高頻爆發事件，并進行戊四氮（PTZ）敏感性測試。同時，使用核磁共振（NMR）分析腦組織代謝物變化，并使用丹麥Unisense氧微電極測量組織氧分壓（pO2）。

 

測量的數據及研究意義

1. 急性糖酵解抑制對海馬切片電生理的影響：2-DG處理降低 evoked局部場電位（eLFP）幅度，去極化神經元靜息電位（Em）和GABA反轉電位（EGABA）。研究意義在于揭示糖酵解抑制通過平衡突觸前和突觸后變化影響網絡興奮性，可能解釋2-DG的促驚厥和抗驚厥雙重效應。數據來自圖1A、1B、1C。

 

2. 急性代謝變化：2-DG減少NAD(P)H瞬變幅度和氧消耗，增加dip/overshoot比率。研究意義在于確認糖酵解抑制改變能量代謝動態，支持代謝危機參與網絡興奮性調節。數據來自圖1B、1C。

3. 慢性2-DG處理的癲癇樣活動：體內記錄顯示2-DG處理大鼠出現自發性癲癇發作、LFP功率譜改變（低頻功率減少、高頻爆發增加）、PTZ敏感性升高。研究意義在于直接證明慢性糖酵解抑制誘導癲癇發生，提供因果證據。數據來自圖2A、2B、2C、2D、2E、2F、2G。

 

 

4. 體外切片耐受性：慢性2-DG處理大鼠的海馬切片在低葡萄糖條件下eLFP衰減更快。研究意義表明糖原儲備減少，神經元對能量剝奪更敏感，加劇網絡超興奮性。數據來自圖3A。

 

5. 神經元參數變化：慢性2-DG處理去極化EGABA但不改變Em。研究意義在于提示抑制性傳遞驅動降低是癲癇發生的細胞機制。數據來自圖3B。

6. NMR代謝物分析：2-DG處理降低糖原和腺苷磷酸鹽，增加腺苷，損害線粒體代謝。研究意義在于顯示能量儲備耗盡和代謝紊亂參與癲癇發生。數據來自圖3C。

7. 組織氧分壓測量：使用Unisense電極測量切片pO2，顯示刺激期間氧消耗減少。研究意義在于提供直接氧動態數據，驗證代謝抑制。數據來自圖4A。

 

 

結論

1. 慢性抑制腦糖酵解通過去極化神經元、降低抑制性傳遞和誘導代謝危機，直接引發癲癇發生。

2. 腦低代謝是獲得性癲癇的起始驅動因素，而非后果，挑戰了糖酵解抑制作為抗癲癇策略的安全性。

3. 研究支持癲癇作為一種代謝疾病的概念，強調能量穩態破壞在癲癇發生中的核心作用。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

本研究使用丹麥Unisense Clark式氧微電極（尖端直徑10μm）測量海馬切片組織氧分壓（pO2）。該電極具有高空間分辨率和快速響應時間，能實時監測突觸刺激期間的氧動態變化。測量數據顯示，急性2-DG處理顯著降低刺激誘導的氧消耗（圖4A），表明糖酵解抑制減少氧化代謝。Unisense電極的精確量化能力提供了直接的生理證據，驗證了能量代謝抑制的嚴重性。研究意義在于：首先，電極測量確認了糖酵解抑制對線粒體功能的間接影響，支持代謝耦合理論；其次，高分辨率數據彌補了間接代謝推斷的局限性，增強了實驗可靠性；最后，該技術突出了在癲癇研究中直接監測組織微環境的重要性，為代謝機制研究提供了關鍵工具。這些發現強調Unisense電極在連接代謝缺陷與網絡興奮性中的橋梁作用。