A neuronal lactate uptake inhibitor slows recovery of extracellular ion concentration changes in the hippocampal CA3 region by affecting energy metabolism

神經元乳酸攝取抑制劑通過影響能量代謝減緩海馬CA3區細胞外離子濃度變化的恢復

來源：Journal of Neurophysiology, Volume 116, 2016, Pages 2420-2430

《神經生理學雜志》，第116卷，2016年，第2420-2430頁

 

摘要

論文摘要指出，星形膠質細胞來源的乳酸支持病理狀態下增強的神經元代謝，但其在生理條件下的作用仍存爭議。本研究旨在確定星形膠質細胞-神經元乳酸穿梭對維持離子穩態和能量代謝的貢獻。研究者測試了α-氰基-4-羥基肉桂酸（4-CIN）——一種可能通過阻斷單羧酸轉運蛋白2（MCT2）介導的神經元乳酸攝取來干擾能量代謝的物質——對海馬CA3區誘發電位、刺激誘導的K+、Na+、Ca2+和氧濃度變化以及黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）自發熒光的影響。MCT2被4-CIN阻斷后，減少了順向（突觸）誘發的群體峰電位，但不影響逆向（軸突）群體峰電位。此效應依賴于KATP通道的激活，表明神經元ATP合成減少。相反，乳酸受體激動劑3,5-二羥基苯甲酸（3,5-DHBA）導致順向和逆向群體峰電位均增加，提示4-CIN的效應并非由乳酸積累及隨后的乳酸受體激活介導。阻斷乳酸攝取后，所有離子瞬變信號的恢復動力學均延長，基線K+濃度升高。乳酸有助于氧化代謝，因為基線呼吸和刺激誘導的PO2變化均減少，而FAD熒光可能由于FAD向FADH2的轉化減少而增加。這些數據表明，即使在葡萄糖充足的情況下，乳酸穿梭也有助于離子穩態和突觸信號的調節。

 

研究目的

研究目的是確定神經元乳酸攝取（通過MCT2）在生理條件下對海馬CA3區突觸信號傳遞、離子穩態維持和能量代謝的具體貢獻。盡管星形膠質細胞-神經元乳酸穿梭（ANLS）假說已被提出，但其在基礎狀態和適度神經元活動后離子梯度恢復中的作用，特別是在與CA1區具有不同代謝特性的CA3區，尚不完全清楚。本研究旨在通過藥理學阻斷MCT2，探究乳酸作為能量底物對神經元ATP合成、離子泵功能以及相關電生理活動的重要性。

 

研究思路

研究思路是使用大鼠海馬腦片制備，在CA1區 stratum radiatum 刺激Schaffer側支，在CA3區錐體層記錄場電位和細胞外離子濃度。通過應用MCT2選擇性抑制劑4-CIN來阻斷神經元乳酸攝取。通過比較4-CIN應用前后，刺激誘導的順向（突觸）和逆向（軸突）群體峰電位的變化，來評估乳酸對突觸傳遞的特異性影響。通過記錄細胞外K+、Na+、Ca2+濃度的刺激后恢復動力學，評估乳酸對離子穩態維持的作用。通過測量組織氧分壓（PO2）和FAD自發熒光，評估乳酸對氧化能量代謝和線粒體氧化還原狀態的影響。此外，使用KATP通道阻斷劑格列本脲和乳酸受體（HCA1）激動劑3,5-DHBA進行藥理學實驗，以區分4-CIN效應的具體機制（是源于ATP減少還是乳酸受體激活）。

 

測量的數據及研究意義

1.  場電位（順向和逆向群體峰電位）振幅：數據來自圖2A, B, C。研究意義是4-CIN特異性抑制順向（突觸）群體峰電位，而不影響逆向（軸突）群體峰電位，表明乳酸攝取對突觸后元件的能量支持至關重要。該效應可被KATP通道阻斷劑部分逆轉，提示其機制與ATP減少相關。

 

2.  細胞外鉀離子濃度（[K+]o）變化的恢復動力學（半衰期T1/2, T2/2）及基線水平：數據來自圖3A, B, C, D。研究意義是4-CIN顯著延長了[K+]o的恢復時間，并升高了基線[K+]o，表明Na+-K+-ATPase的功能因乳酸攝取受阻導致的ATP供應不足而受損，影響了K+的清除和基線維持。

 

3.  細胞外鈉離子濃度（[Na+]o）變化的恢復動力學：數據來自圖3E, F。研究意義是4-CIN同樣延長了[Na+]o的恢復時間，進一步支持了離子泵功能因能量代謝受限而下降的觀點。

4.  細胞外鈣離子濃度（[Ca2+]o）變化的恢復動力學：數據來自圖4A, B, C。研究意義是4-CIN延長了[Ca2+]o的恢復，表明鈣離子的排出或攝取機制（如質膜鈣泵、鈉鈣交換體）也依賴于乳酸衍生的ATP。

 

5.  組織氧分壓（PO2）的基線水平及刺激誘導的變化（ΔPO2）：數據來自圖5A, B。研究意義是4-CIN升高了基線PO2并減小了ΔPO2，表明整體組織耗氧量減少，直接證明乳酸攝取對神經元氧化代謝的貢獻。即使在藥理學隔離突觸后成分后，4-CIN仍能降低與軸突活動相關的氧耗（圖5G）。

 

6.  FAD自發熒光的基線水平及刺激誘導的變化：數據來自圖5C, D, E, F。研究意義是4-CIN使FAD熒光基線升高，刺激誘導的氧化峰增強，反映了線粒體氧化還原狀態向氧化方向偏移（FADH2減少，FAD增多），這與乳酸供應減少導致三羧酸循環還原當量產生不足一致。

7.  乳酸受體激動劑3,5-DHBA對場電位和PO2的影響：數據來自圖6A, B, C, D, E, F。研究意義是3,5-DHBA的作用與4-CIN相反或不能逆轉4-CIN的效應，排除了4-CIN作用是通過細胞外乳酸積累激活HCA1受體介導的可能性。

 

 

結論

研究得出結論：即使在葡萄糖充足的情況下，星形膠質細胞來源的乳酸通過神經元MCT2攝取，對海馬CA3區的能量代謝、離子穩態和突觸傳遞具有重要貢獻。阻斷乳酸攝取會導致神經元ATP合成受限，進而激活KATP通道、損害Na+-K+-ATPase等功能，表現為突觸效能降低、細胞外離子濃度恢復延遲以及基線K+水平升高。同時，氧化代謝和線粒體功能受到影響。這些效應主要由能量代謝障礙引起，而非乳酸受體激活。這表明乳酸和葡萄糖在生理條件下共同作為神經元的能量底物，存在一定的功能冗余。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

使用丹麥Unisense氧敏感微電極測量組織氧分壓（PO2）的數據（圖5A, B, G）在研究中有至關重要的研究意義，主要體現在以下幾個方面：

直接量化氧化代謝變化：Unisense電極能夠高精度地測量腦片局部微環境中的絕對氧分壓及其動態變化。本研究觀察到4-CIN應用后基線PO2升高和刺激誘導的ΔPO2減小，這為“乳酸攝取貢獻于氧化代謝”提供了最直接的證據。基線PO2升高表明組織整體耗氧率下降，而ΔPO2減小則表明神經元活動引發的額外耗氧量降低。這強有力地說明，阻斷乳酸攝取后，神經元的有氧呼吸活動減弱了。

區分能量代謝環節：通過精確測量氧消耗，研究者能夠將乳酸的作用定位到能量代謝鏈的末端——氧化磷酸化過程。數據表明，乳酸不僅僅是糖酵解的產物，其本身作為底物進入三羧酸循環后，對電子傳遞鏈的最終耗氧過程有實質性貢獻。

支持其他代謝指標：PO2的測量結果與FAD熒光的變化（反映線粒體氧化還原狀態）相互印證。PO2升高（耗氧減少）與FAD熒光增加（氧化狀態增強）共同描繪了一幅一致的圖景：乳酸供應中斷導致線粒體底物減少，電子傳遞鏈活動減弱，從而耗氧減少，同時由于還原當量（如FADH2）供應不足，使得氧化型FAD相對積累。

空間定位準確性：Unisense微電極的尖端尺寸小（~10μm），允許在CA3區錐體層進行精確的局部測量，確保了所記錄信號的空間特異性，排除了其他腦區活動的干擾。

因此，Unisense電極提供的定量的、實時的PO2數據，是連接“MCT2藥理干預”與“下游能量代謝及功能改變”之間的關鍵橋梁，為論文的核心結論——乳酸在生理條件下是重要的能量底物——提供了不可或缺的、強有力的實證支持。