小胶质细胞的代谢灵活性：能量底物的利用及其对神经元代谢的影响

《Journal of Neurochemistry》：Metabolic Flexibility of Microglia: Energy Substrate Utilization and Impact on Neuronal Metabolism

　　小胶质细胞代谢可塑性与神经元互作机制研究。通过13C同位素示踪和GC-MS分析，发现小胶质细胞不仅能代谢葡萄糖、谷氨酰胺，还能首次证实其可摄取并代谢GABA，且激活状态（LPS或Aβ刺激）显著影响神经元糖代谢及氨基酸平衡，抑制氧化磷酸化并改变神经递质稳态。该研究揭示胶质-神经元代谢互作新机制，为神经炎症和退行性疾病治疗提供新靶点。

　　微胶质细胞是中枢神经系统（CNS）中主要的驻留免疫细胞，它们在维持神经元功能和系统稳态中扮演着关键角色。这种细胞在面对环境变化时表现出显著的代谢灵活性，这种能力使得它们能够快速适应各种条件。然而，微胶质细胞的代谢能力及其对神经元代谢的影响仍存在许多未知之处。通常情况下，微胶质细胞依赖葡萄糖进行有氧代谢，但在受到促炎性刺激后，它们会转向糖酵解代谢。本研究利用同位素追踪技术和气相色谱-质谱（GC–MS）分析，探讨了微胶质细胞的代谢特征及其对神经元代谢的影响。

研究中，我们使用含有稳定碳同位素¹³C的标记底物（如葡萄糖、谷氨酰胺和GABA）处理原始微胶质细胞，并在有或无脂多糖（LPS）的条件下观察其代谢适应性。同时，我们还通过非接触式共培养系统（NC co-culture），将神经元与静止或激活的微胶质细胞（如LPS或淀粉样蛋白β（Aβ）刺激后的微胶质细胞）共同培养，并用¹³C标记的葡萄糖进行实验，以分析微胶质细胞与神经元之间的代谢互动。研究结果表明，微胶质细胞能够有效摄取和代谢葡萄糖和谷氨酰胺，而LPS刺激对糖酵解活动的影响相对较小，仅通过细胞外乳酸量的变化体现。更重要的是，我们首次发现微胶质细胞可以摄取并代谢抑制性神经递质GABA，这揭示了微胶质细胞一种新的代谢功能。

此外，微胶质细胞的存在对神经元代谢和神经递质稳态有直接影响，这一发现强调了神经元与微胶质细胞之间代谢交流的复杂性。我们的研究结果不仅加深了对微胶质细胞代谢功能的理解，也为神经炎症和神经退行性疾病中微胶质细胞代谢紊乱的机制提供了新的视角。这些发现对于研究微胶质细胞在健康与疾病状态下的功能具有重要意义。

微胶质细胞在稳态条件下主要依赖有氧代谢，但一旦被促炎性刺激激活，就会转向糖酵解代谢。这种代谢转变是维持促炎性反应所必需的。然而，在葡萄糖稀缺的情况下，微胶质细胞也能通过氧化谷氨酰胺和脂肪酸来满足能量需求。这种代谢灵活性对于微胶质细胞在复杂或受损环境中执行其功能至关重要。在体外实验中，我们观察到微胶质细胞在LPS刺激后会增加GLT-1的表达，这表明它们在神经炎症反应中可能具有重要的代谢角色。此外，微胶质细胞的代谢活动在监视状态下也可能对它们的功能产生关键影响。

研究采用同位素追踪法，结合GC–MS分析，探讨了微胶质细胞在不同代谢条件下的代谢路径。结果显示，微胶质细胞能够有效地摄取和代谢葡萄糖、谷氨酰胺和GABA。对于葡萄糖代谢，研究发现微胶质细胞的糖酵解活动在LPS刺激后略有增加，但总体与静止状态下的微胶质细胞无显著差异。这表明尽管微胶质细胞在促炎性激活后表现出代谢变化，但其总体代谢模式仍保持稳定。同样，在谷氨酰胺代谢方面，LPS刺激后微胶质细胞的代谢活动有所增强，但其对细胞外乳酸释放的影响并不显著。

GABA的代谢研究同样揭示了微胶质细胞的新功能。GABA是中枢神经系统中的主要抑制性神经递质，通常被神经元或星形胶质细胞摄取。我们的研究发现，微胶质细胞能够有效摄取和代谢GABA，这表明它们在神经递质循环中可能具有重要作用。然而，LPS刺激后微胶质细胞内的GABA含量有所减少，这可能意味着在激活状态下，微胶质细胞对GABA的摄取能力下降。同时，我们发现微胶质细胞在GABA代谢后，其代谢产物在TCA循环和相关氨基酸中的同位素标记水平较低，表明GABA的代谢在微胶质细胞中并不占主导地位，但确实存在。

研究进一步探讨了微胶质细胞对神经元代谢的影响。通过非接触式共培养系统，我们发现微胶质细胞的存在显著影响了神经元的葡萄糖代谢。具体而言，与单独培养的神经元相比，共培养的神经元在TCA循环中间体和神经递质氨基酸中的¹³C标记水平明显降低，这表明微胶质细胞可能通过多种间接机制影响神经元的代谢速率和神经递质代谢。例如，微胶质细胞可能通过竞争性摄取葡萄糖来减少其在神经元中的可用性，或者通过释放乳酸为神经元提供辅助能量。此外，微胶质细胞的代谢活动可能通过改变神经递质稳态、促炎性信号传导和氧化应激等方式，间接影响神经元的代谢。

研究还发现，微胶质细胞在受到LPS或Aβ刺激后，其对神经元代谢的影响存在差异。LPS刺激的微胶质细胞能够显著促进神经元的GABA合成，而Aβ刺激的微胶质细胞则未能诱导类似的代谢变化。这种差异可能与不同激活刺激对微胶质细胞代谢路径的调节有关。例如，LPS激活的微胶质细胞可能通过释放谷氨酰胺等代谢产物，间接促进神经元的GABA合成。这种机制可能有助于神经元在神经炎症状态下维持抑制性神经递质的平衡，从而对抗神经元的过度兴奋性。

微胶质细胞在神经炎症和神经退行性疾病中的代谢紊乱可能与神经元功能受损密切相关。在阿尔茨海默病（AD）等疾病中，观察到微胶质细胞的代谢功能异常，这可能进一步导致神经递质稳态失衡。我们的研究结果表明，微胶质细胞的代谢活动可能通过多种机制影响神经元的功能，包括竞争性摄取能量底物、释放代谢产物、调节神经递质水平和诱导氧化应激等。因此，理解微胶质细胞的代谢功能及其与神经元的相互作用，对于探索神经炎症和神经退行性疾病的发病机制和治疗策略具有重要意义。

此外，微胶质细胞的代谢功能可能还与它们的形态和功能变化相关。在静止状态下，微胶质细胞具有高度活跃的形态，能够动态地监测脑组织。而在受到促炎性刺激后，它们的形态和功能会发生显著变化，表现出更倾向于糖酵解代谢的特征。这种形态和功能的改变可能与代谢活动的调整有关，从而支持其在炎症状态下的功能需求。然而，微胶质细胞的激活状态并不总是完全明确，因为它们在体外培养时可能受到多种因素的影响，如微量内毒素污染和机械应激等，这些因素可能导致部分激活，而不仅仅是完全激活。因此，在解释实验结果时，需要考虑这些可能的干扰因素。

本研究还探讨了微胶质细胞在不同激活状态下对神经元代谢的影响。LPS和Aβ作为两种不同的激活刺激，可能通过不同的信号通路影响微胶质细胞的代谢状态，进而影响神经元的代谢。例如，LPS主要通过激活Toll样受体4（TLR4）引发促炎性反应，而Aβ则可能同时激活TLR4和触发性受体表达于髓样细胞2（TREM2）。TREM2的激活可能抑制由TLR4引发的促炎性反应，从而在某些情况下产生抗炎效应。这种差异可能进一步影响神经元的代谢状态，导致不同的代谢响应。

在实验中，我们还观察到微胶质细胞在受到LPS或Aβ刺激后，其代谢产物的释放和代谢模式有所变化。例如，LPS刺激的微胶质细胞可能通过增强谷氨酸的释放来影响神经元的代谢，而Aβ刺激的微胶质细胞则可能通过不同的代谢路径影响神经元的代谢状态。这种差异提示，微胶质细胞的代谢活动可能在不同疾病状态下具有不同的作用机制。

总的来说，本研究揭示了微胶质细胞的代谢灵活性及其对神经元代谢的影响。微胶质细胞不仅能够摄取和代谢葡萄糖、谷氨酰胺和GABA，而且它们的代谢活动可能通过多种机制影响神经元的功能。这些发现不仅加深了我们对微胶质细胞代谢功能的理解，也为探索神经炎症和神经退行性疾病中的代谢机制提供了新的视角。未来的研究可以进一步探讨微胶质细胞代谢活动与神经元代谢之间的具体互动机制，以及这些机制在疾病中的潜在作用。