2025-07-24
2024年9月，中南大學湘雅醫院的研究團隊在Theranostics（最新 IF: 13.3/Q1）上發表“MCT1-mediated endothelial cell lactate shuttle as a target for promoting axon regeneration after spinal cord injury”的研究論文。該研究通過整合能(neng)量(liang)代(dai)謝組學分析和實(shi)時乳酸(suan)動(dong)態(tai)監測技術，首次揭示內皮細胞特異性MCT1表達缺失引發的乳酸代謝軸功能紊亂是脊髓損傷后軸突再生障礙的關鍵病理機制。此外，通過AAV介導的MCT1基因治療，證實其過表達可以顯著促進軸突再生并改善運動功能恢復。這一效應可能與乳酸代謝軸的重建及神經元能量供應的改善有關。派森諾生物提供靶向能量(liang)代(dai)謝組學分析服務(wu)。
實(shi)驗材料
原代皮層神經元，bEnd.3細胞，AAV-293細胞，CATH.a細胞，C57BL/6小鼠，胚胎小鼠
實驗(yan)方法
靶向能量代謝組學分析；單細胞RNA生物信息學分析；乳酸傳感器與共培(pei)養；基(ji)因治(zhi)療（AAV-MCT1）等
研究背(bei)景(jing)
脊(ji)(ji)髓損(sun)傷(shang)(SCI)是導(dao)致(zhi)早逝和長(chang)期殘疾的主要原(yuan)因，其發病(bing)(bing)率(lv)和患(huan)病(bing)(bing)率(lv)在1990-2019年間顯(xian)著上升。SCI的病(bing)(bing)理過程復(fu)雜，初始機(ji)械損(sun)傷(shang)會引(yin)(yin)發一(yi)系列(lie)繼發性損(sun)傷(shang)，包括血管(guan)完整性破(po)壞、血-脊(ji)(ji)髓屏障(BSCB)功(gong)能(neng)障礙、缺血/缺氧(yang)微環境形(xing)成(cheng)等。這些變化導(dao)致(zhi)損(sun)傷(shang)中心區持(chi)續(xu)代謝(xie)(xie)紊(wen)亂(luan)，但(dan)代謝(xie)(xie)異常(chang)如何影響神(shen)經(jing)(jing)組織重塑和功(gong)能(neng)恢(hui)復(fu)尚不明確(que)。SCI后，損(sun)傷(shang)中心的血管(guan)痙攣和血栓形(xing)成(cheng)導(dao)致(zhi)長(chang)期缺氧(yang)缺血，引(yin)(yin)發細胞能(neng)量代謝(xie)(xie)危機(ji)。研(yan)究表明乳酸(suan)既(ji)是糖酵解終產物，也可作為神(shen)經(jing)(jing)元能(neng)量底物（通(tong)過"乳酸(suan)穿梭"機(ji)制）和信(xin)號分(fen)子。雖然星(xing)形(xing)膠質(zhi)細胞-神(shen)經(jing)(jing)元乳酸(suan)穿梭已(yi)被廣(guang)泛研(yan)究，但(dan)脊(ji)(ji)髓血管(guan)內皮細胞是否(fou)(fou)通(tong)過單羧酸(suan)轉(zhuan)運蛋白1(MCT1)介導(dao)乳酸(suan)轉(zhuan)運支持(chi)神(shen)經(jing)(jing)元代謝(xie)(xie)仍屬(shu)未知。本研(yan)究的主要目(mu)的是探究MCT1在SCI后EC與神(shen)經(jing)(jing)元間乳酸(suan)轉(zhuan)運中的作用(yong)，并驗證通(tong)過靶向恢(hui)復(fu)MCT1表達能(neng)否(fou)(fou)改善代謝(xie)(xie)紊(wen)亂(luan)、促進軸突(tu)再生和功(gong)能(neng)恢(hui)復(fu)。
研(yan)究重點
本研究(jiu)揭示了(le)SCI后EC中(zhong)MCT1表(biao)達(da)下調導(dao)致乳(ru)(ru)酸代(dai)謝軸斷裂的(de)(de)(de)機(ji)制。研究(jiu)發(fa)現，盡管損(sun)傷區(qu)乳(ru)(ru)酸水(shui)平升高(gao)，但EC中(zhong)MCT1表(biao)達(da)降低阻(zu)礙了(le)乳(ru)(ru)酸向(xiang)神(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)元(yuan)的(de)(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)運(yun)，導(dao)致神(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)元(yuan)能量供應不足(zu)，進(jin)(jin)而(er)抑(yi)制軸突再生。通過基于FRET的(de)(de)(de)乳(ru)(ru)酸傳(chuan)(chuan)感器證實，EC與神(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)元(yuan)間存在直接接觸(chu)依(yi)賴的(de)(de)(de)乳(ru)(ru)酸轉(zhuan)(zhuan)運(yun)，而(er)MCT1抑(yi)制劑(ji)α-CHCA處理可顯著抑(yi)制EC的(de)(de)(de)血管生成能力和(he)神(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)元(yuan)軸突延伸。研究(jiu)進(jin)(jin)一步通過AAV-MCT1靶向(xiang)修復EC的(de)(de)(de)MCT1表(biao)達(da)，成功促進(jin)(jin)軸突再生并改善運(yun)動功能，為SCI治(zhi)療(liao)(liao)提供了(le)代(dai)謝干預新策略(lve)。該發(fa)現突破了(le)傳(chuan)(chuan)統神(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)營養(yang)因子療(liao)(liao)法的(de)(de)(de)局限，突出了(le)內皮-神(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)元(yuan)代(dai)謝偶(ou)聯(lian)在神(shen)(shen)經(jing)(jing)(jing)再生中(zhong)的(de)(de)(de)關鍵作用。
技術路線
研究結果
1、脊髓損傷后增強(qiang)的糖(tang)酵解代謝
鎖(suo)定關鍵代謝分子：研究人員通過靶(ba)向能量代謝(xie)組(zu)學(xue)分析發現，SCI后7天的(de)小(xiao)鼠模型(xing)中，糖酵解代謝(xie)顯(xian)(xian)著增(zeng)強，表現為乳酸(suan)(suan)、D-葡(pu)萄糖-6-磷(lin)酸(suan)(suan)、β-D-果糖-6-磷(lin)酸(suan)(suan)等關(guan)鍵代謝(xie)物(wu)水平顯(xian)(xian)著升高（圖1A-B），且KEGG通(tong)路分(fen)析證實糖酵解途徑的(de)代(dai)謝物整(zheng)體上調（圖1C）。乳酸作為(wei)糖酵解核(he)心產物被確(que)定(ding)為(wei)SCI后的(de)關鍵(jian)代(dai)謝分子，為(wei)后續研究提供了重要(yao)方向。
圖(tu)1. 精準靶(ba)向(xiang)代謝組學分析鎖定脊髓損傷后受影響最(zui)大的功(gong)能(neng)性(xing)代謝物(wu)
2、內(nei)皮細(xi)胞(bao)來源的乳(ru)酸滋養(yang)神經細(xi)胞(bao)
作(zuo)用(yong)機(ji)制探索：通過基于FRET的乳酸傳感器（Laconic）證實，ECs與神經元間的直接接觸依賴的乳酸轉運機制。實驗顯示，乳酸濃度升高（10-100 mM）可劑量依賴性增加CFP/YFP熒光比值，而共培養體系中，僅與ECs直接接觸的神經元或CATH.a細胞表現出熒光比值升高，延時成像進一步驗證了乳酸通過細胞接觸從ECs向神經元的動態轉移。這一發現揭示了ECs來源的乳酸通過物理(li)接(jie)觸直接(jie)支持神經元(yuan)能量代謝(xie)的生物學作用(yong)。
圖(tu)2. 內(nei)皮細(xi)胞(bao)來源的乳酸滋(zi)養神經細(xi)胞(bao)
3、脊髓損傷后(hou)EC中MCT1的缺乏
作用機制探(tan)索：進一步研究發現，SCI后，盡管損傷中心區域乳酸水平升高，但新形成的血管內皮細胞中單羧酸轉運蛋白1（MCT1/SLC16a1）表達顯著降低，導致乳酸轉運機制缺陷。單細胞數據分析及免疫熒光顯示，MCT1在正常脊髓內皮細胞中高表達且與CD31共定位，但損傷后7-28天的新生血管中MCT1缺失，僅周圍區域表達升高（部分與GFAP共染）。這表明SCI后(hou)內皮細胞功能(neng)受損，MCT1介(jie)導的乳酸-神經元穿梭中斷，可能(neng)加(jia)劇代謝(xie)失衡。
圖3. SCI后MCT1的時空表達(da)
4、內(nei)皮細胞(bao)中(zhong)MCT1的(de)缺乏會抑(yi)制血管生成(cheng)和糖酵解
MCT1是調控(kong)ECs功能與代謝的關鍵蛋白：在體外實驗中，MCT1抑制劑α-CHCA處理導致ECs的管狀結構形成和遷移能力顯著下降，且乳酸補充無法逆轉這一現象，表明MCT1介導的乳酸轉運對ECs的血管生成和糖酵解（HK1、PFKM、PKM1表達）至關重要。通過乳酸傳感器（Laconic）證實，乳酸通過MCT1濃度依賴性進入ECs（20-40 mM乳酸促進功能，過高濃度則抑制），而α-CHCA阻斷MCT1后，即使補充乳酸仍無法恢復CFP/YFP熒光比值及糖酵解活性，提示MCT1是ECs攝取乳酸的核心通道。這些結果揭示了MCT1通過調節(jie)乳酸轉運平衡ECs能量(liang)代謝，進而影響其(qi)血(xue)管生成和修復(fu)能力。
圖4. 抑制(zhi)ECs MCT1表達(da)導致生物(wu)學和代(dai)謝功能(neng)下降
5、神經(jing)元利用乳酸來增加糖酵(jiao)解并促進軸突再生
作(zuo)用(yong)機制揭示：內皮細胞(bao)（bEnd.3）通(tong)過(guo)MCT1介(jie)導的乳(ru)酸(suan)穿梭直接(jie)增(zeng)強(qiang)神經元(yuan)的糖酵(jiao)解(jie)能力并促進軸突再生(sheng)。共培養實(shi)驗顯示，乳(ru)酸(suan)處理(li)使(shi)與bEnd.3接(jie)觸的神經元(yuan)CFP/YFP熒(ying)光(guang)比(bi)值(zhi)升高(gao)（表明(ming)乳(ru)酸(suan)攝取(qu)增(zeng)加），而(er)MCT1抑制劑α-CHCA則(ze)抑制該效應。體外實(shi)驗進一步證實(shi)，乳(ru)酸(suan)處理(li)可促進神經突生(sheng)長并逆轉糖酵(jiao)解(jie)抑制劑2-DG的抑制作用；在(zai)模(mo)擬脊髓損(sun)傷的軸突斷裂(lie)模(mo)型中，乳(ru)酸(suan)處理(li)的bEnd.3細胞(bao)通(tong)過(guo)直接(jie)接(jie)觸顯著(zhu)增(zeng)強(qiang)神經元(yuan)軸突再生(sheng)能力，且(qie)該過(guo)程依賴MCT1功能。蛋白質印跡分析表明(ming)，乳(ru)酸(suan)通(tong)過(guo)提升糖酵(jiao)解(jie)酶活性支持神經元(yuan)能量代謝，從而(er)驅動再生(sheng)。
圖(tu)5. 神經(jing)元(yuan)利用乳酸增強(qiang)糖酵解(jie)并促進軸(zhou)突再生
6、在(zai)脊髓內皮細胞中過度表(biao)達MCT1可以挽救脊髓損(sun)傷小鼠受損(sun)的(de)神經發(fa)生
功能(neng)驗(yan)證：通過腺相關病毒（AAV-MCT1）靶向恢(hui)復(fu)脊髓ECs中MCT1的(de)表達，可顯著促(cu)進(jin)SCI小鼠的(de)軸突(tu)再生和(he)功能(neng)恢(hui)復(fu)。實(shi)驗(yan)顯示，AAV-MCT1在血(xue)管ECs中特異性表達（與巨噬細胞、膠質細胞無共定位），并增強損(sun)傷核心邊緣的(de)神(shen)經絲蛋白（NF）和(he)β-Tubulin III（TUJ1）陽性軸突(tu)再生，證實(shi)MCT1介(jie)導的(de)乳酸穿梭對修復(fu)SCI后神(shen)經功能(neng)具有關鍵作用。
圖6. 脊髓(sui)內皮細胞(bao)MCT1的過表達挽救了SCI小鼠(shu)受損的神(shen)經(jing)發(fa)生
研究結論
本研究本通過整合靶向代謝組學、單細胞RNA測序、基于FRET的乳酸傳感器（Laconic）技術及AAV靶向遞送系統，揭示了SCI后EC中MCT1介導(dao)的乳酸代謝軸斷裂(lie)機(ji)制：SCI導(dao)致損傷區(qu)乳酸積累(lei)，但EC中MCT1表達(da)下調阻礙了乳酸向神經元(yuan)的轉運(yun)，引發神經元(yuan)能量(liang)危(wei)機(ji)并(bing)抑制軸突再生(sheng)。通過AAV靶向恢復(fu)EC的MCT1表達(da)，可(ke)促進乳酸穿梭、增強神經元(yuan)糖(tang)酵解活性（HK1/PFKM/PKM1上調），進而(er)驅(qu)動軸突再(zai)生（NF/TUJ1陽性信號增加）和運動功能恢(hui)復（BMS評分(fen)提升），為SCI治療提供了代謝干預新策略(lve)。
原文鏈接：
//www.thno.org/v14p5662.htm
