代謝是影響干細(xì)胞行為的關(guān)鍵因素；然而，關(guān)于代謝在微環(huán)境中扮演的角色我們?nèi)匀恢跎?。Wang等近期刊登在《細(xì)胞·干細(xì)胞》雜志上的研究顯示：大腦內(nèi)皮細(xì)胞通過調(diào)節(jié)乳酸水平維持健康的代謝環(huán)境，并直接影響成體神經(jīng)干細(xì)胞。
(細(xì)胞外乳酸水平控制成體神經(jīng)發(fā)生)
細(xì)胞的代謝狀態(tài)對(duì)其行為有很大的影響。例如，成體干細(xì)胞在整個(gè)生命周期中都履行著組織維護(hù)和修復(fù)的重要功能，它們處于糖酵解狀態(tài)，伴隨著分化逐漸轉(zhuǎn)為氧化磷酸化。大腦中的成體神經(jīng)干細(xì)胞（neural stem cells, NSCs）就類似于這種代謝方式，神經(jīng)干細(xì)胞至少在兩個(gè)區(qū)域[海馬的顆粒下區(qū)（subgranular zone, SGZ）和側(cè)腦室的室管膜下區(qū)]產(chǎn)生新生神經(jīng)元。大多數(shù)干細(xì)胞代謝研究都集中在細(xì)胞內(nèi)在變化，然而我們對(duì)代謝微環(huán)境的作用及其對(duì)干細(xì)胞活性的影響知之甚少?！都?xì)胞·干細(xì)胞》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究顯示，大腦血管內(nèi)皮細(xì)胞（endothelial cells, ECs）控制著乳酸的水平，而乳酸強(qiáng)烈影響著成體NSCs和新生神經(jīng)元的數(shù)量。
通過EC特異性的PTEN基因敲除（磷酸酶和張力蛋白同源物，一種抑制Akt通路的脂質(zhì)/蛋白質(zhì)磷酸酶），研究人員觀察到了對(duì)海馬神經(jīng)發(fā)生的巨大影響：ECs中PTEN的缺乏導(dǎo)致NSC擴(kuò)增增加，而新生神經(jīng)元數(shù)目卻減少。另外，這些EC特異性PTEN基因敲除小鼠（SP-A-Cre;PTENfl/fl）顯示出海馬依賴性學(xué)習(xí)受損，表明腦EC功能改變帶來認(rèn)知障礙。
為了排除發(fā)育影響，作者接下來使用了EC特異性誘導(dǎo)性PTEN基因敲除模型（Cdh5-CreERT2; PTENfl/fl）。同樣，SGZ中的增殖細(xì)胞數(shù)量在模型小鼠2個(gè)月大時(shí)增加。然而，在較大的基因敲除小鼠（7個(gè)月）中，增殖顯著降低，NSC池減少，這表明產(chǎn)后EC中PTEN的缺失會(huì)導(dǎo)致成體NSC異常增殖，最終導(dǎo)致NSC池衰竭。
大腦EC的兩個(gè)關(guān)鍵功能是將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)從血液傳輸?shù)酱竽X細(xì)胞，并向血液排出降解產(chǎn)物。為了解決這些關(guān)鍵的大腦EC功能是否受損的問題，研究測(cè)量了海馬組織勻漿中的葡萄糖、乳酸和氨基酸，發(fā)現(xiàn)敲除PTENfl/fl基因的小鼠體內(nèi)乳酸水平升高。在海馬體內(nèi)注射乳酸和通過滲透性微型泵在野生型動(dòng)物體內(nèi)注入乳酸均可模擬PTEN敲除表型，導(dǎo)致NSC擴(kuò)增增加，新生神經(jīng)元減少。這有力地表明，細(xì)胞外乳酸堆積是EC-PTEN基因敲除小鼠大腦中神經(jīng)發(fā)生紊亂的原因。
乳酸通過葡萄糖有氧代謝或無氧糖酵解而產(chǎn)生，最初被認(rèn)為是廢物，然而，現(xiàn)在它被認(rèn)為是能量底物和信號(hào)分子。在大腦中，星形膠質(zhì)細(xì)胞是乳酸的主要來源。星形膠質(zhì)細(xì)胞可以向鄰近神經(jīng)元分泌乳酸，后者攝取乳酸并將其轉(zhuǎn)化回丙酮酸，以產(chǎn)生能量。這種星形膠質(zhì)細(xì)胞-神經(jīng)元乳酸穿梭模型現(xiàn)在已被廣泛接受，甚至有人提出，神經(jīng)元優(yōu)先使用乳酸而不是葡萄糖，從而使這種代謝產(chǎn)物成了研究正常腦功能和認(rèn)知疾病的極有趣的候選者。乳酸的雙向運(yùn)輸是由所謂的一元羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(monocarboxylate transporters, MCTs)介導(dǎo)的，它有多種亞型，呈現(xiàn)出細(xì)胞特異性的表達(dá)模式。
通過對(duì)大腦EC的RNA測(cè)序和Western blot分析，研究者確實(shí)發(fā)現(xiàn)，在PTEN敲除小鼠中，MCT1顯著下調(diào)。他們?cè)隗w外通過對(duì)大腦EC使用激活劑和抑制劑操縱Akt途徑，證明PTEN / Akt通路對(duì)MCT1水平有調(diào)節(jié)作用，表明PTEN基因敲除與MCT1下調(diào)、乳酸水平升高之間存在直接關(guān)聯(lián)，這可能會(huì)阻止乳酸通過這種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白排入血液。
為了進(jìn)一步支持這種聯(lián)系，研究者用CRISPR / Cas9（MCT1fl/fl）造就了條件性EC特異性MCT1基因敲除小鼠，并將其與SP-A-Cre小鼠雜交。與以前的實(shí)驗(yàn)一致，大腦EC中缺少M(fèi)CT1會(huì)增加乳酸水平，并伴有海馬中增殖細(xì)胞的增加和成熟新生神經(jīng)元的減少。腦部注射放射性標(biāo)記的乳酸表明，乳酸的積累是由于這些小鼠向血液的外排減少所致。然而，雖然MCT1有雙向轉(zhuǎn)運(yùn)功能，但乳酸從血液向大腦的流入?yún)s并未改變。因此，尚需確定為什么要有這樣的優(yōu)勢(shì)方向性以及是否通過其他MCT來控制流入。條件性MCT1基因敲除小鼠也模擬了認(rèn)知功能障礙，表明乳酸穩(wěn)態(tài)通常對(duì)正常認(rèn)知功能也很重要。
研究者還做了幾個(gè)實(shí)驗(yàn)來挽救乳酸堆積后的神經(jīng)發(fā)生改變。利用一種EC特異性腺相關(guān)病毒(AAV-BR1)，他們讓PTEN敲除小鼠的大腦ECs過表達(dá)MCT1。這種病毒MCT1過表達(dá)導(dǎo)致乳酸水平恢復(fù)，足以挽救認(rèn)知能力，并使新生神經(jīng)元的成熟正常化、NSC增殖也正?；Ｗ髡咄ㄟ^將PTENfl/fl小鼠與Aktfl/fl小鼠/SP-A-Cre小鼠雜交，來抑制Akt信號(hào)的增加，由此產(chǎn)生的小鼠也表現(xiàn)出海馬內(nèi)乳酸水平的恢復(fù)，伴隨正常的神經(jīng)發(fā)生。
這項(xiàng)研究表明，EC調(diào)節(jié)代謝微環(huán)境的正常功能極大地影響了NSC的行為。盡管尚待確定細(xì)胞外乳酸是如何對(duì)NSC和新生神經(jīng)元發(fā)揮作用的，但值得注意的是，它對(duì)這兩個(gè)細(xì)胞群的作用并不相同，進(jìn)一步支持了干細(xì)胞及其分化后代的不同代謝需求。此外，神經(jīng)干細(xì)胞對(duì)微環(huán)境中乳酸水平變化的反應(yīng)可能解釋了神經(jīng)干細(xì)胞如何“感知”體力活動(dòng)中發(fā)生的變化。研究表明，奔跑會(huì)令嚙齒動(dòng)物的神經(jīng)發(fā)生增加。由于血液中的乳酸水平會(huì)隨著體力鍛煉而改變，因此，這種代謝物很可能是介導(dǎo)運(yùn)動(dòng)相關(guān)作用的主要因素。Wang等的最新研究數(shù)據(jù)進(jìn)一步支持了微環(huán)境中乳酸的變化可以直接影響NSC的增殖。另一項(xiàng)新研究觀察到，注射乳酸后新生神經(jīng)元數(shù)量增加，而對(duì)NSC增殖或早期分化沒有影響，并且認(rèn)知沒有改變。在這兩項(xiàng)研究中，乳酸的劑量和暴露情況有所不同。盡管看似矛盾，但這恰恰說明了大腦實(shí)質(zhì)中的“理想”乳酸濃度必須謹(jǐn)慎調(diào)節(jié)，并且這種穩(wěn)態(tài)的改變會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)期影響?？紤]到Wang等在研究中所描述的乳酸堆積對(duì)整體海馬認(rèn)知的影響，乳酸穩(wěn)態(tài)的重要性就非常明顯了。雖然成熟的神經(jīng)元利用乳酸作為能量底物，但乳酸過多也會(huì)損害其功能。有趣的是，衰老的大腦乳酸水平較高，幾種神經(jīng)退行性疾病也伴有代謝改變，而這可能會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知損害。綜上所述，這些研究表明，代謝微環(huán)境可能是改善認(rèn)知能力和神經(jīng)發(fā)生的關(guān)鍵調(diào)節(jié)器和靶標(biāo)。
Cell Stem Cell 2019;25:729-731
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