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大脑的能量生产与需求的精确耦合仍然是脑代谢研究中的一个重要谜题，尽管人脑只占体重的2%，却消耗了静息状态下全身葡萄糖总消耗量的25%。动脉血中的葡萄糖是大脑的主要能源来源，虽然大脑也能代谢其他替代物质，但没有一种能完全替代葡萄糖。大脑葡萄糖供应对海马区的记忆获取和巩固至关重要，此外中枢神经系统的葡萄糖可被下丘脑中特殊回路感知，从而调节全身葡萄糖代谢，这表明大脑能量代谢不仅与局部脑活动密切相关，也与外周代谢有关。葡萄糖通过葡萄糖转运蛋白（glucose transporters, GLUTs）进入脑细胞，特别是GLUT1。星形胶质细胞astrocytes包裹在内皮细胞外，它们也是GLUT1的主要载体，因而在控制葡萄糖进入大脑方面处于有利位置。尽管葡萄糖也能直接输送到表达GLUT3和GLUT4的神经元中，但一种流行的理论是星形胶质细胞-神经元乳酸穿梭（ANLS, astrocyte-neuron lactate shuttl），即神经元活动增加星形胶质细胞对葡萄糖的摄取和糖酵解，产生乳酸，乳酸随后通过单羧酸转运蛋白（monocarboxylate transporters, MCTs）出口到细胞外，再由神经元摄取并氧化产生ATP。然而，ANLS理论存在长期争议，有证据表明神经元激活引起神经元对葡萄糖的消耗，而不摄取乳酸，活跃的突触需要葡萄糖消耗以维持神经递质囊泡回收和高效的突触传递，且高能耗的脑节律只能由葡萄糖而非乳酸完全支持。
尽管星形胶质细胞传统上被认为主要进行糖酵解，但新的证据表明它们可以根据可用燃料的性质调整代谢，从而表现出代谢适应性。然而，大脑葡萄糖代谢能否在缺乏星形胶质细胞葡萄糖转运的情况下持续仍然是未解之谜。星形胶质细胞在能量稳态和学习中发挥关键作用，但其主要葡萄糖转运蛋白GLUT1的必要性尚未被研究。
西班牙纳瓦拉大学的Maite Solas团队在Science Advances期刊上发表文章Astrocytic GLUT1 reduction paradoxically improves central and peripheral glucose homeostasis，他们利用一种特异性缺乏星形胶质细胞GLUT1的小鼠模型，并评估其在系统能量稳态和认知能力方面的表现以及这些功能背后的分子和细胞特征，对星形胶质细胞在不同燃料可用性下代谢适应能力进行深入研究。
图源 Science Advances
首先为了研究GLUT1对星形胶质细胞葡萄糖摄取和细胞代谢的重要性，研究人员通过在Slc2a1flox/flox小鼠中敲低GLUT1，发现GLUT1的缺乏显著减少了星形胶质细胞的葡萄糖摄取和乳酸释放，并降低了其糖酵解速率。尽管GLUT1 KD（敲低）细胞的基础呼吸正常，但最大呼吸能力下降。令人注意的是，这些细胞能维持与对照组相当的总ATP生产率，主要通过增加对谷氨酰胺的依赖来补充能量需求，而对脂肪酸依赖性变化不大。即说明GLUT1对星形胶质细胞的葡萄糖摄取和代谢至关重要，但细胞可以通过使用其他燃料维持总ATP产量。
图1 GLUT1 对星形胶质细胞摄取和代谢葡萄糖至关重要，但不会影响总ATP的产生
研究人员通过在成年小鼠脑中敲低GLUT1进一步研究了GLUT1在星形胶质细胞中减少后的反应性和形态变化，发现星形胶质细胞的GLUT1水平显著下降。尽管其他GLUT家族基因的表达没有变化，星形胶质细胞表现出显著的表型转变，包括基因表达谱的变化和形态学上的明显改变。GLUT1∆GFAP星形胶质细胞显示出总突触长度增加，突触数量和厚度增加，但这种复杂性增加在距细胞体相同的距离内发生，这些结果表明GLUT1 KD诱导星形胶质细胞突触分支的增加，但不包括延伸。
图2 体内诱导星形胶质细胞GLUT1耗竭会改变星形胶质细胞形态
为了探究减少星形胶质细胞GLUT1对大脑葡萄糖利用率的影响，研究人员通过对GLUT1ΔGFAP小鼠和对照小鼠进行18F-FDG–PET（18F-fluorodeoxyglucose positron emission tomography）扫描，发现GLUT1ΔGFAP小鼠大脑显示出更高的18F-FDG信号，表明其大脑葡萄糖利用率增加。尽管减少GLUT1会降低星形胶质细胞的葡萄糖摄取，但对脑脊液中的葡萄糖水平没有显著影响。研究人员进一步通过动态PET（dynamic PET, dPET）研究了星形胶质细胞GLUT1减少对大脑葡萄糖动力学的影响，发现GLUT1ΔGFAP小鼠在整个扫描期间显示出显著更高的18F-FDG通量。尽管细胞培养实验中观察到GLUT1 KD星形胶质细胞的葡萄糖代谢能力下降，但在体内实验中，GLUT1减少导致星形胶质细胞13C-葡萄糖的摄取减少和糖酵解循环中间体的降低。代谢组学研究表明，GLUT1ΔGFAP小鼠的海马和下丘脑代谢模式与对照组明显不同，乳酸水平显著降低，而蛋白质组学分析则显示GLUT1ΔGFAP小鼠的脑组织中涉及细胞能量代谢的基因表达显著改变，表明仅仅干扰星形胶质细胞的葡萄糖代谢就足以改变整个大脑的能量代谢特征。这些结果说明，尽管GLUT1在星形胶质细胞中的减少降低了这些细胞的葡萄糖摄取，但大脑整体葡萄糖利用率却有所增加，可能是其他能量代谢途径的补偿作用。
图3 诱导体内星形胶质细胞GLUT1耗竭可以提高中枢神经系统的葡萄糖利用率，并改变大脑的整体能量代谢模式
研究人员通过对小鼠进行正常饮食（normal chow diet, NCD）和高脂饮食（HFD, high-fat diet）处理，进一步探讨了星形胶质细胞GLUT1缺乏对全身葡萄糖稳态的影响。发现GLUT1∆GFAP小鼠表现出更强的抑制饥饿诱导的过度进食反应，并在腹腔注射葡萄糖后表现出显著的葡萄糖耐受性改善。这些小鼠在高脂饮食下还显示出增强的葡萄糖刺激的胰岛素分泌能力，但却没有表现出胰岛的过度增生。间接量热法评估结果显示，GLUT1∆GFAP小鼠从主要使用碳水化合物转向主要使用脂肪，同时能量消耗增加。分析下丘脑弓状核的POMC（proopiomelanocortin）神经元活动发现GLUT1∆GFAP小鼠POMC细胞的c-Fos阳性率显著增加，表明POMC神经元活动增强。棕色脂肪组织（BAT）分析则显示，GLUT1∆GFAP小鼠在高脂饮食下具有更高的UCP1表达和活动性，说明其代谢能力增强。为了验证这些效应是否由弓状核的GLUT1减少所致，研究人员使用腺相关病毒（AAV）特异性敲除弓状核星形胶质细胞中的GLUT1，发现弓状核GLUT1减少的小鼠表现出类似全脑GLUT1∆GFAP小鼠的表型，包括减少的过度进食和改善的葡萄糖处理能力，但未表现出BAT的热发生表型，表明其他区域的GLUT1减少也起作用。
图4 缺少星形胶质细胞中GLUT1的小鼠表现出改善的葡萄糖稳态
研究人员又进一步研究了星形胶质细胞GLUT1减少对大脑葡萄糖代谢和认知能力的影响，通过实验发现GLUT1∆GFAP小鼠在新物体识别任务和莫里斯水迷宫任务中，与对照组小鼠表现出类似甚至略微改善的认知能力。而组织学分析显示，GLUT1∆GFAP小鼠海马齿状回的c-Fos阳性细胞显著增加，表明神经元激活增强；此外，Golgi-Cox染色显示，GLUT1∆GFAP小鼠在高脂饮食下的突触密度恢复到正常水平。PET扫描结果表明，在认知任务训练后，GLUT1∆GFAP小鼠的大脑18F-FDG信号增强，特别是在海马区。通过化学遗传学手段诱导星形胶质细胞激活，发现GLUT1∆GFAP小鼠海马区葡萄糖代谢显著增加。研究推测，尽管GLUT1 KD星形胶质细胞葡萄糖摄取减少，但其激活可能通过更有效地与邻近神经元沟通，增强了神经元的葡萄糖代谢，这表明星形胶质细胞在调节大脑能量代谢和认知功能中发挥重要作用。
图5 星形胶质细胞受到刺激时，GLUT1ΔGFAP小鼠的神经元活性和脑葡萄糖代谢增强
在该研究中，研究人员通过莫里斯水迷宫实验（Morris Water Maze, MWM）系统地评估了星形胶质细胞GLUT1减少对小鼠空间学习和记忆能力的影响。首先，研究人员在直径约1.2米的圆形水池中注满不透明的水（通过添加非毒性白色颜料），并在水池的一个象限内放置一个隐蔽的平台，且为了避免位置线索的干扰，在实验室周围设置各种视觉标志。研究人员将小鼠随机放置在不同的起始点，并训练其找到平台。每天进行4次试验，连续训练5天，每次训练最多持续60秒。找到平台后，小鼠可在平台上停留15秒；如果未能找到，研究人员会将其引导至平台并让它们停留15秒。第6天进行空间记忆测试，移除平台并让小鼠自由游泳60秒，记录其在原平台位置附近的停留时间和通过次数。视频跟踪系统（EthoVision XT）记录小鼠的游泳路径，并分析其寻找平台的时间、速度、总距离和记忆测试表现，通过对比对照组和实验组的表现，研究人员评估了星形胶质细胞GLUT1减少对小鼠空间学习和记忆能力的影响。
该项研究表明，减少星形胶质细胞中的GLUT1能够显著改善大脑和全身的葡萄糖代谢。研究发现，尽管GLUT1减少降低了星形胶质细胞的葡萄糖摄取，但却意外地增强了大脑整体的葡萄糖利用率，并改善了系统性葡萄糖稳态，尤其在高脂饮食条件下。GLUT1缺乏的星形胶质细胞表现出对谷氨酰胺代谢的依赖增加，同时下丘脑的POMC神经元活动增强，棕色脂肪组织的活性提高。在未来的研究中可进一步探索GLUT1减少对不同神经元类型的具体影响及其在各种神经疾病中的潜在治疗应用以及探讨长时间减少GLUT1对认知功能和能量代谢的长期影响，为开发新的治疗策略提供重要的科学依据，特别是在解决与葡萄糖代谢有关的神经疾病方面。
原文地址
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp1115#sec-4
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