乳酸在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的作用及其與相關(guān)疾病的關(guān)系

雷 思， 王詩怡， 田紹文,*

(1)南華大學(xué)衡陽醫(yī)學(xué)院生理學(xué)教研室，神經(jīng)科學(xué)研究所，湖南，衡陽 421001；2)桂林醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院廣西腦與認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)重點實驗室，廣西，桂林 541001)

過去傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，在大腦中乳酸通常在病理狀態(tài)下大量產(chǎn)生，是能量代謝的終產(chǎn)物，而葡萄糖是主要的能量底物。近年來，許多研究證明，乳酸在中樞能量代謝系統(tǒng)和信號傳遞中發(fā)揮重要的作用。它參與了星形膠質(zhì)細(xì)胞-神經(jīng)元乳酸穿梭，是神經(jīng)活動能量代謝的重要物質(zhì)[1,2]。乳酸還參與一些神經(jīng)細(xì)胞之間的信號傳遞，調(diào)控突觸可塑性、神經(jīng)發(fā)育及學(xué)習(xí)記憶等生理過程。同時，乳酸與其特異性受體羥基羧酸受體1(G-protein-coupled receptor 81，GPR81)結(jié)合后，可調(diào)控胞內(nèi)環(huán)腺苷酸(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)水平，進而影響神經(jīng)元的功能活動。而乳酸功能的異?？赡軙?dǎo)致一些中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展，例如抑郁癥、阿爾茲海默病(Alzheimer disease，AD)及腦損傷等。因此，深入了解乳酸的生物學(xué)功能對于中樞系統(tǒng)疾病的防治十分必要。

1 乳酸作為能量底物

1.1 乳酸代謝與有氧糖酵解

在能量代謝系統(tǒng)中，一般情況下葡萄糖通過糖酵解途徑生成丙酮酸。在氧氣供應(yīng)充足情況下，丙酮酸入線粒體進行三羧酸循環(huán)(tricarboxylic acid cycle，TCA cycle)并產(chǎn)生大量的ATP；缺氧狀態(tài)下，丙酮酸通過乳酸脫氫酶(lactate dehydrogenase，LDH)還原成乳酸[3]。而Rabinowitz等證明，乳酸作為供碳底物進入TCA循環(huán)，在正常喂食和饑餓狀態(tài)下，乳酸對TCA循環(huán)中間體的貢獻超過葡萄糖。另有研究發(fā)現(xiàn)，乳酸在代謝中具有較高的交換通量。這些結(jié)果更加佐證了乳酸可能在整個能量代謝過程中發(fā)揮了重要作用[4,5]。隨著沃堡效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，大腦中還存在著有氧糖酵解，星形膠質(zhì)細(xì)胞主要是通過有氧糖酵解來滿足自身和神經(jīng)元的能量需求。有研究表明，當(dāng)神經(jīng)元興奮性增高處于活動期時，神經(jīng)元會優(yōu)先利用乳酸供能[6]。其釋放的谷氨酸能進入星形膠質(zhì)細(xì)胞，驅(qū)動糖原分解，并抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞線粒體功能，從而促進星形膠質(zhì)細(xì)胞通過有氧糖酵解產(chǎn)生的乳酸，滿足神經(jīng)元能量代謝需要[7]。此外，少突膠質(zhì)細(xì)胞也可通過有氧糖酵解產(chǎn)生乳酸，以滿足自己的能量需求,同時為附近軸突的發(fā)育提供能量底物[8]。

1.2 星形膠質(zhì)細(xì)胞乳酸生成與釋放

星形膠質(zhì)細(xì)胞是大腦主要存儲糖原的場所，是產(chǎn)生和釋放乳酸的主要來源，該細(xì)胞將胞內(nèi)的糖原或葡萄糖通過糖酵解一系列酶促反應(yīng)生成乳酸[9]。星形膠質(zhì)細(xì)胞選擇性高表達(dá)乳酸脫氫酶5，而乳酸脫氫酶5主要表達(dá)在調(diào)節(jié)乳酸生成的組織中，負(fù)責(zé)將丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗醄10]。與此同時，星形膠質(zhì)細(xì)胞選擇性高表達(dá)丙酮酸脫氫酶激酶4(pyruvate dehydrogenase kinases 4，PDK4)，PDK4通過磷酸化丙酮酸脫氫酶抑制后者活性，從而抑制丙酮酸向乙酰輔酶A轉(zhuǎn)變[11]；其次，乳酸和丙酮酸之間的轉(zhuǎn)換也受細(xì)胞所處的氧化還原狀態(tài)的影響，星形膠質(zhì)細(xì)胞呈現(xiàn)出比神經(jīng)元細(xì)胞更高的NADH/NAD+比值，提示星形膠質(zhì)細(xì)胞處于一種高度還原狀態(tài)，使得在熱力學(xué)上偏向于將丙酮酸轉(zhuǎn)化為乳酸[7]。正是基于這些酶在星形膠質(zhì)細(xì)胞表達(dá)的差異性與其強還原狀態(tài)，促使星形膠質(zhì)細(xì)胞即使在正常氧分壓下也能將糖原或葡萄糖轉(zhuǎn)化生成乳酸，即有氧糖酵解。

1.3 乳酸轉(zhuǎn)運

在已確定的14種單羧酸轉(zhuǎn)運體(monocarboxylate transporter，MCT)亞型中，只有MCT1到MCT4會催化乳酸和其它單羧酸鹽(包括丙酮酸和酮體)耦合轉(zhuǎn)運。MCT亞型對乳酸有不同的親和力且分布具有細(xì)胞特異性，星形膠質(zhì)細(xì)胞主要表達(dá)親和力較低的MCT1和MCT4，神經(jīng)元細(xì)胞膜上的MCT2則親和力較高。此外，MCT1主要分布在內(nèi)皮細(xì)胞，還少量表達(dá)在少突膠質(zhì)細(xì)胞膜上[12]，MCT3主要在脈絡(luò)叢上皮細(xì)胞和視網(wǎng)膜上皮細(xì)胞上表達(dá)[13]。突觸前膜釋放谷氨酸進入星形膠質(zhì)細(xì)胞驅(qū)動其糖原源性乳酸的生成，乳酸再通過其胞膜上的MCT1和MCT4釋放出胞，并由神經(jīng)元胞膜上的MCT2轉(zhuǎn)運體攝取入胞內(nèi)，提供能量底物，完成星形膠質(zhì)細(xì)胞-神經(jīng)元乳酸穿梭，即ANLS模型(astrocyte-neuron lactate shuttle，ANLS)[14,15]。

1.4 乳酸促進神經(jīng)發(fā)育

在大腦神經(jīng)發(fā)育過程中，軸突延長和樹突發(fā)育是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的關(guān)鍵過程。一項離體研究表明，干擾星形膠質(zhì)細(xì)胞乳酸生成釋放會影響神經(jīng)元軸突和樹突的生長發(fā)育，給予外源性乳酸則會逆轉(zhuǎn)這一效應(yīng)[16]，這一結(jié)果強調(diào)了乳酸在神經(jīng)發(fā)育中作為能量底物的作用。此外，髓鞘的發(fā)育對于維持軸突的長期穩(wěn)定性是必要的，而影響形成髓鞘的主要膠質(zhì)細(xì)胞是少突膠質(zhì)細(xì)胞。增加少突膠質(zhì)細(xì)胞的糖酵解速率，其代謝產(chǎn)物乳酸會為軸突提供能量燃料[17]；干擾少突膠質(zhì)細(xì)胞膜MCT1則會影響神經(jīng)元細(xì)胞的存活和軸突的功能，表明了少突膠質(zhì)細(xì)胞源性乳酸為軸突發(fā)育的能量供應(yīng)提供支撐[18,19]。軸突的快速退變是很多神經(jīng)退行性疾病的早期事件，例如多發(fā)性硬化癥和肌萎縮側(cè)索硬化癥，乳酸供能的作用為臨床上早期干預(yù)治療這些疾病提供了新的理論依據(jù)。

2 乳酸作為信號分子

2.1 乳酸受體

乳酸特異性受體GPR81屬于G-蛋白偶聯(lián)受體，主要表達(dá)在脂肪組織，參與脂肪細(xì)胞的脂解作用[20]。乳酸與胞膜上GPR81結(jié)合降低cAMP水平，進而抑制脂肪分解，促進高能量代謝產(chǎn)物的儲存[21]。在哺乳動物的大腦中也存在著GPR81，主要分布在血腦屏障和興奮性突觸，星形膠質(zhì)細(xì)胞亦有少量表達(dá)。研究表明，GPR81在海馬和小腦皮質(zhì)上的突觸膜和胞內(nèi)囊泡中濃度最高，提示GPR81在細(xì)胞膜內(nèi)外參與轉(zhuǎn)運，可能介導(dǎo)囊泡中神經(jīng)遞質(zhì)的存儲和釋放。在海馬皮層腦片中，給予生理范圍內(nèi)濃度的乳酸會抑制腺苷環(huán)化酶激活劑所刺激的cAMP生成，導(dǎo)致海馬皮層cAMP水平的下調(diào)[22]。有研究結(jié)果顯示，星形膠質(zhì)細(xì)胞源性乳酸能影響藍(lán)斑神經(jīng)元的興奮性，以及促進胞內(nèi)去甲腎上腺素的釋放，在此過程中伴隨著cAMP的升高，這提示乳酸可能存在未知受體[23]，但與GPR81降低cAMP的作用截然相反，這更加豐富了乳酸在中樞的生物功能。

2.2 乳酸信號分子調(diào)節(jié)中樞功能

近年來，隨著乳酸特異性受體GPR81的發(fā)現(xiàn)，乳酸作為一種信號分子逐漸受到重視，在腦內(nèi)生理濃度范圍內(nèi)的乳酸就足以激活GPR81，下調(diào)腦內(nèi)的cAMP參與中樞一系列生理過程的調(diào)節(jié)[22]。而離體研究中發(fā)現(xiàn)，增加星形膠質(zhì)細(xì)胞外的乳酸水平能通過激活cAMP觸發(fā)星形膠質(zhì)細(xì)胞乳酸水平增加，說明乳酸可能作為胞外信號正反饋來調(diào)控胞內(nèi)乳酸的產(chǎn)生和釋放[24]。由此可見，一方面，星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)cAMP能夠刺激星形膠質(zhì)細(xì)胞源性乳酸生成[25]，另一方面，乳酸可作用于其特異性受體，可能下調(diào)cAMP的表達(dá)。但這兩種作用是否存在著交叉或者反饋作用？目前尚不清楚。

最新的一項研究報道，乳酸作用于其受體GPR81進而升高星形膠質(zhì)細(xì)胞中Arc/arg3.1蛋白，并通過激活GPR81-β-arrestin2途徑來介導(dǎo)此過程[26]。此外，在小鼠運動中，肌肉產(chǎn)生的乳酸可引起海馬中乳酸及腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain derived neurotrophic factor，BDNF)也顯著升高，促進學(xué)習(xí)和記憶的形成。此效應(yīng)依賴于海馬內(nèi)組蛋白脫乙酰酶sirtuin1的激活[27]。乳酸通過GPR81除了可調(diào)控星形膠質(zhì)細(xì)胞功能和學(xué)習(xí)記憶的形成，還能誘導(dǎo)大腦中的血管再生和癲癇發(fā)生以及影響神經(jīng)活動和神經(jīng)發(fā)生等一系列中樞活動[28-30]。近期研究表明，乳酸還會作為信號分子調(diào)節(jié)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和線粒體之間Mg2+轉(zhuǎn)運和代謝[31]。此外，趙英明團隊首次證明，組蛋白H3K18乳酸化參與表觀遺傳修飾，影響下游轉(zhuǎn)錄變化[32]?？偠灾@些結(jié)果強調(diào)了乳酸在信號傳遞中的突出作用。

2.3 乳酸影響可塑性和學(xué)習(xí)記憶

突觸可塑性是聯(lián)系神經(jīng)元活動之間可調(diào)節(jié)性的強度變化。長期突觸可塑性包括長時程增強(long-term potentiation，LTP)和長時程抑制(long-term deression, LTD)，與學(xué)習(xí)記憶、抑郁以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。有報道稱，星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)，糖原的分解和乳酸的釋放對于維持突觸強度的LTP是不可或缺的[33]。這一過程也是長時記憶形成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但不影響短時記憶。而干擾乳酸轉(zhuǎn)運體及相關(guān)關(guān)鍵酶則會影響記憶的形成導(dǎo)致小鼠遺忘發(fā)生。給予外源性乳酸則挽救上述效應(yīng)。提示乳酸供能可能影響長時記憶某一功能或結(jié)構(gòu)的持續(xù)改變[34]。乳酸通過激活NMDA受體活性及Erk1/2通路促進可塑性相關(guān)關(guān)鍵基因在體內(nèi)外表達(dá)，例如BDNF、c-Fos、細(xì)胞骨架活性調(diào)節(jié)蛋白重組蛋白(recombinant activity regulated cytoskeleton associated protein，Arc)和鋅指編碼基因268(zinc-finger encoding gene 268,Zif268)，從而調(diào)控學(xué)習(xí)記憶，進而證明了可能是通過信號分子的角色來發(fā)揮作用[35,36]。同樣，另有研究證明，外源性乳酸能夠增加原代神經(jīng)元細(xì)胞中的Arc、Zif268和c-Fos等即刻早期表達(dá)基因的轉(zhuǎn)錄水平，上調(diào)血清反應(yīng)因子重組蛋白(recombinant serum response factor，SRF)、早期生長應(yīng)答蛋白1(early growth response gene1，Egr1)和NF-κB等轉(zhuǎn)錄因子的水平。有趣的是，這些轉(zhuǎn)錄因子廣泛參與神經(jīng)元突觸活動和學(xué)習(xí)[37]。給予外源性乳酸能使健忘小鼠海馬的突觸棘密度增加，加強LTP的生理效應(yīng)調(diào)節(jié)突觸可塑性的強度[38]。使用光遺傳技術(shù)特異性地操控星形膠質(zhì)細(xì)胞cAMP的上調(diào),會引起胞內(nèi)乳酸大量釋放，來影響突觸可塑性和記憶[25]。乳酸對突觸的可塑性發(fā)揮著正向作用，但乳酸是否通過GPR81影響cAMP，或者其他未知受體來影響突觸活動，這需要進一步研究探討。Fig.1顯示星形膠質(zhì)細(xì)胞衍生乳酸的產(chǎn)生和釋放及其與神經(jīng)元的關(guān)系。

Fig.1 The production and release of astrocyte-derived lactate and its correlations with neurons Astrocytes produce lactate from glycogen or glucose, which is released to the outside of the cell by monocarboxylate transporters, and then enters neurons to regulate their functions and activities.GPR81,G-protein-coupled receptor 81; cAMP, cyclic adenosine monophosphate; Glu, Glutamate; GLT1, Glutamate transporter1; GLUT1, Glucose transporter type1; MCT, monocarboxylates transporters; NMDAR,N-methyl-D-aspartate receptor; Arc, c-Fos, Zif268 and BDNF are plasticity-associated genes

3 乳酸與中樞系統(tǒng)疾病

3.1 乳酸與抑郁癥

抑郁癥的發(fā)生與能量代謝障礙和突觸可塑性密切相關(guān)，而乳酸在能量代謝中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，并能調(diào)節(jié)突觸活動，推測乳酸可能具有抗抑郁作用[35]。直到2018年，Carrard等[39]首次報道，腹腔注射外源性乳酸能升高海馬乳酸水平以及調(diào)控星形膠質(zhì)細(xì)胞功能、神經(jīng)發(fā)生和cAMP信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)的靶基因表達(dá)來發(fā)揮抗抑郁效應(yīng)。在慢性社交挫敗應(yīng)激之前給予乳酸預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)能夠顯著降低社交挫敗應(yīng)激中的抑郁易感型小鼠數(shù)量，給予腹腔注射乳酸改善抑郁鼠的抑郁樣表型，由海馬中Ⅰ類組蛋白去乙?；傅幕钚詠斫閷?dǎo)[40]，提示乳酸不僅能產(chǎn)生抗抑郁效應(yīng)還能降低應(yīng)激易感性。在雌鼠更年期抑郁模型中，乳酸產(chǎn)生抗抑郁的效應(yīng)機制可能是激活下丘腦中蛋白激酶C，升高了腦內(nèi)5-羥色胺和多巴胺水平[41]。這些研究表明，乳酸及其下游通路在中樞的抗抑郁作用方式是多樣性的。因此，確定乳酸抗抑郁作用的關(guān)鍵腦區(qū)及機制，有助于尋找抑郁癥藥物治療的新靶點。

此外，抑郁癥和焦慮癥在臨床表現(xiàn)上有著交叉樣行為，而海馬神經(jīng)發(fā)生受損是抑郁和焦慮發(fā)生的共同關(guān)鍵性環(huán)節(jié)[42]。在慢性不可預(yù)測應(yīng)激焦慮抑郁模型中發(fā)現(xiàn)，大鼠的腸道微生物群代謝的乳酸的水平顯著增加。這表明，乳酸可能在促進焦慮行為的發(fā)生，其機制可能是通過腸-腦軸來調(diào)控鞘氨醇-1-磷酸受體2激活腦內(nèi)的焦慮相關(guān)信號通路，提示微生物腸道源性乳酸對情緒認(rèn)知行為有負(fù)面影響[43]。值得注意的是，這與上述外源性乳酸抗抑郁作用截然相反，提示不同來源的乳酸可能對抑郁焦慮樣等情感障礙的作用靶點是有差異的。

3.2 乳酸與阿爾茲海默病

AD是一種十分常見的神經(jīng)退行性疾病，其特征性病理改變是β淀粉樣蛋白(β-amyloid protein，Aβ)形成的老年斑，以及Tau磷酸化導(dǎo)致的神經(jīng)纖維纏結(jié)[44, 45]。近年，AD的腦能量代謝受到越來越多的關(guān)注。其中，Aβ沉積與能量代謝及線粒體障礙有關(guān)。在APP/PS1小鼠的AD模型中，腦實質(zhì)乳酸水平和多種MCT亞型均下調(diào)。有趣的是，AD小鼠的神經(jīng)元LDHA、LDHB均降低，而LDHA/LDHB比值升高，這是有利于神經(jīng)元產(chǎn)生乳酸的。然而，這種酶的代償性變化仍不足以填補神經(jīng)元的能量缺乏[46,47]。最近的數(shù)據(jù)表明，默認(rèn)模式網(wǎng)格(default mode network, DMN)功能障礙可能與Aβ沉積和能量代謝有關(guān)聯(lián)。在AD病人中，腦脊液乳酸水平明顯升高。使用正電子體層掃描發(fā)現(xiàn)，在構(gòu)成DMN的內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)、眶額前腦皮層、海馬旁回中，葡萄糖代謝低下，這與腦脊液乳酸水平的升高有顯著關(guān)系[48]。有最新報道強調(diào)，腦能量代謝治療對神經(jīng)退行性疾病有著積極作用，而乳酸在阿爾茨海默病的能量代謝障礙中發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用[8]。因此，深入探討乳酸能量代謝對于AD的防治是非常迫切的。

3.3 乳酸與腦損傷

創(chuàng)傷性腦損傷(traumatic brain injury，TBI)和缺血性腦損傷是在臨床上腦損傷中十分常見的疾病。一項最新研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)制創(chuàng)傷性腦損傷模型前腹腔給予乳酸預(yù)處理，能明顯改善腦外傷大鼠神經(jīng)功能，并且損傷腦區(qū)的同側(cè)海馬和皮質(zhì)區(qū)中的GPR81表達(dá)明顯增加。其機制可能是通過激活GPR81而實現(xiàn)的。此外，乳酸也逆轉(zhuǎn)了創(chuàng)傷性腦損傷誘導(dǎo)MCT2及可塑性相關(guān)蛋白質(zhì)的低表達(dá)[49]。結(jié)果相反的是，在大腦中動脈閉塞的小鼠模型發(fā)現(xiàn)，GPR81過表達(dá)增加了細(xì)胞對缺血損傷的敏感性，說明乳酸可能通過激活GPR81加重缺血性腦損傷[50]。造成結(jié)果迥異的原因可能是在大腦缺血缺氧的情況下會造成大量的乳酸產(chǎn)生，并使細(xì)胞處于一個過酸的微環(huán)境，從而觸發(fā)嚴(yán)重的氧化應(yīng)激損傷和神經(jīng)元凋亡[51]。在一項臨床試驗中，對于急性腦損傷病人予以高滲乳酸液體復(fù)蘇治療，能夠明顯改善大腦血流灌注和能量代謝障礙[52]。基于腦損傷病理過程的復(fù)雜性與其發(fā)病機制了解甚少，故進一步探究乳酸能量底物和信號分子的功能作為治療腦損傷疾病的潛在靶點是十分重要的。

4 問題與展望

乳酸在中樞神經(jīng)系統(tǒng)扮演的角色是復(fù)雜又多樣的。一方面，通過星形膠質(zhì)細(xì)胞-神經(jīng)元乳酸穿梭途徑為神經(jīng)元供能；另一方面，作為信號分子參與調(diào)節(jié)神經(jīng)元興奮性、可塑性及學(xué)習(xí)記憶等過程。此外，乳酸與GPR81結(jié)合調(diào)控胞內(nèi)cAMP水平。乳酸在中樞的雙重作用對中樞功能的運轉(zhuǎn)是關(guān)鍵，乳酸功能的障礙可能會影響抑郁癥、AD及腦損傷等疾病的發(fā)展。目前，乳酸在腦區(qū)的許多作用機制仍尚不明確，影響相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的通路機制亦了解甚少。通過干預(yù)乳酸及其下游通路機制在中樞的作用靶點，可能會成為未來治療相關(guān)疾病新方法。此外，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，乳酸可能存在其他的未知受體及其新的信號通路仍值得進一步發(fā)掘。因此，深入研究乳酸在中樞的分子機制對相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的早期診斷及防治具有重要的意義。