乳酸在中枢神经系统中的作用及其与相关疾病的关系

雷 思， 王诗怡， 田绍文,*

(1)南华大学衡阳医学院生理学教研室，神经科学研究所，湖南，衡阳 421001；2)桂林医学院基础医学院广西脑与认知神经科学重点实验室，广西，桂林 541001)

过去传统观点认为，在大脑中乳酸通常在病理状态下大量产生，是能量代谢的终产物，而葡萄糖是主要的能量底物。近年来，许多研究证明，乳酸在中枢能量代谢系统和信号传递中发挥重要的作用。它参与了星形胶质细胞-神经元乳酸穿梭，是神经活动能量代谢的重要物质[1,2]。乳酸还参与一些神经细胞之间的信号传递，调控突触可塑性、神经发育及学习记忆等生理过程。同时，乳酸与其特异性受体羟基羧酸受体1(G-protein-coupled receptor 81，GPR81)结合后，可调控胞内环腺苷酸(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)水平，进而影响神经元的功能活动。而乳酸功能的异常可能会导致一些中枢神经系统疾病的发生发展，例如抑郁症、阿尔兹海默病(Alzheimer disease，AD)及脑损伤等。因此，深入了解乳酸的生物学功能对于中枢系统疾病的防治十分必要。

1 乳酸作为能量底物

1.1 乳酸代谢与有氧糖酵解

在能量代谢系统中，一般情况下葡萄糖通过糖酵解途径生成丙酮酸。在氧气供应充足情况下，丙酮酸入线粒体进行三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle，TCA cycle)并产生大量的ATP；缺氧状态下，丙酮酸通过乳酸脱氢酶(lactate dehydrogenase，LDH)还原成乳酸[3]。而Rabinowitz等证明，乳酸作为供碳底物进入TCA循环，在正常喂食和饥饿状态下，乳酸对TCA循环中间体的贡献超过葡萄糖。另有研究发现，乳酸在代谢中具有较高的交换通量。这些结果更加佐证了乳酸可能在整个能量代谢过程中发挥了重要作用[4,5]。随着沃堡效应的发现，大脑中还存在着有氧糖酵解，星形胶质细胞主要是通过有氧糖酵解来满足自身和神经元的能量需求。有研究表明，当神经元兴奋性增高处于活动期时，神经元会优先利用乳酸供能[6]。其释放的谷氨酸能进入星形胶质细胞，驱动糖原分解，并抑制星形胶质细胞线粒体功能，从而促进星形胶质细胞通过有氧糖酵解产生的乳酸，满足神经元能量代谢需要[7]。此外，少突胶质细胞也可通过有氧糖酵解产生乳酸，以满足自己的能量需求,同时为附近轴突的发育提供能量底物[8]。

1.2 星形胶质细胞乳酸生成与释放

星形胶质细胞是大脑主要存储糖原的场所，是产生和释放乳酸的主要来源，该细胞将胞内的糖原或葡萄糖通过糖酵解一系列酶促反应生成乳酸[9]。星形胶质细胞选择性高表达乳酸脱氢酶5，而乳酸脱氢酶5主要表达在调节乳酸生成的组织中，负责将丙酮酸转变为乳酸[10]。与此同时，星形胶质细胞选择性高表达丙酮酸脱氢酶激酶4(pyruvate dehydrogenase kinases 4，PDK4)，PDK4通过磷酸化丙酮酸脱氢酶抑制后者活性，从而抑制丙酮酸向乙酰辅酶A转变[11]；其次，乳酸和丙酮酸之间的转换也受细胞所处的氧化还原状态的影响，星形胶质细胞呈现出比神经元细胞更高的NADH/NAD+比值，提示星形胶质细胞处于一种高度还原状态，使得在热力学上偏向于将丙酮酸转化为乳酸[7]。正是基于这些酶在星形胶质细胞表达的差异性与其强还原状态，促使星形胶质细胞即使在正常氧分压下也能将糖原或葡萄糖转化生成乳酸，即有氧糖酵解。

1.3 乳酸转运

在已确定的14种单羧酸转运体(monocarboxylate transporter，MCT)亚型中，只有MCT1到MCT4会催化乳酸和其它单羧酸盐(包括丙酮酸和酮体)耦合转运。MCT亚型对乳酸有不同的亲和力且分布具有细胞特异性，星形胶质细胞主要表达亲和力较低的MCT1和MCT4，神经元细胞膜上的MCT2则亲和力较高。此外，MCT1主要分布在内皮细胞，还少量表达在少突胶质细胞膜上[12]，MCT3主要在脉络丛上皮细胞和视网膜上皮细胞上表达[13]。突触前膜释放谷氨酸进入星形胶质细胞驱动其糖原源性乳酸的生成，乳酸再通过其胞膜上的MCT1和MCT4释放出胞，并由神经元胞膜上的MCT2转运体摄取入胞内，提供能量底物，完成星形胶质细胞-神经元乳酸穿梭，即ANLS模型(astrocyte-neuron lactate shuttle，ANLS)[14,15]。

1.4 乳酸促进神经发育

在大脑神经发育过程中，轴突延长和树突发育是神经网络建立的关键过程。一项离体研究表明，干扰星形胶质细胞乳酸生成释放会影响神经元轴突和树突的生长发育，给予外源性乳酸则会逆转这一效应[16]，这一结果强调了乳酸在神经发育中作为能量底物的作用。此外，髓鞘的发育对于维持轴突的长期稳定性是必要的，而影响形成髓鞘的主要胶质细胞是少突胶质细胞。增加少突胶质细胞的糖酵解速率，其代谢产物乳酸会为轴突提供能量燃料[17]；干扰少突胶质细胞膜MCT1则会影响神经元细胞的存活和轴突的功能，表明了少突胶质细胞源性乳酸为轴突发育的能量供应提供支撑[18,19]。轴突的快速退变是很多神经退行性疾病的早期事件，例如多发性硬化症和肌萎缩侧索硬化症，乳酸供能的作用为临床上早期干预治疗这些疾病提供了新的理论依据。

2 乳酸作为信号分子

2.1 乳酸受体

乳酸特异性受体GPR81属于G-蛋白偶联受体，主要表达在脂肪组织，参与脂肪细胞的脂解作用[20]。乳酸与胞膜上GPR81结合降低cAMP水平，进而抑制脂肪分解，促进高能量代谢产物的储存[21]。在哺乳动物的大脑中也存在着GPR81，主要分布在血脑屏障和兴奋性突触，星形胶质细胞亦有少量表达。研究表明，GPR81在海马和小脑皮质上的突触膜和胞内囊泡中浓度最高，提示GPR81在细胞膜内外参与转运，可能介导囊泡中神经递质的存储和释放。在海马皮层脑片中，给予生理范围内浓度的乳酸会抑制腺苷环化酶激活剂所刺激的cAMP生成，导致海马皮层cAMP水平的下调[22]。有研究结果显示，星形胶质细胞源性乳酸能影响蓝斑神经元的兴奋性，以及促进胞内去甲肾上腺素的释放，在此过程中伴随着cAMP的升高，这提示乳酸可能存在未知受体[23]，但与GPR81降低cAMP的作用截然相反，这更加丰富了乳酸在中枢的生物功能。

2.2 乳酸信号分子调节中枢功能

近年来，随着乳酸特异性受体GPR81的发现，乳酸作为一种信号分子逐渐受到重视，在脑内生理浓度范围内的乳酸就足以激活GPR81，下调脑内的cAMP参与中枢一系列生理过程的调节[22]。而离体研究中发现，增加星形胶质细胞外的乳酸水平能通过激活cAMP触发星形胶质细胞乳酸水平增加，说明乳酸可能作为胞外信号正反馈来调控胞内乳酸的产生和释放[24]。由此可见，一方面，星形胶质细胞内cAMP能够刺激星形胶质细胞源性乳酸生成[25]，另一方面，乳酸可作用于其特异性受体，可能下调cAMP的表达。但这两种作用是否存在着交叉或者反馈作用？目前尚不清楚。

最新的一项研究报道，乳酸作用于其受体GPR81进而升高星形胶质细胞中Arc/arg3.1蛋白，并通过激活GPR81-β-arrestin2途径来介导此过程[26]。此外，在小鼠运动中，肌肉产生的乳酸可引起海马中乳酸及脑源性神经营养因子(brain derived neurotrophic factor，BDNF)也显著升高，促进学习和记忆的形成。此效应依赖于海马内组蛋白脱乙酰酶sirtuin1的激活[27]。乳酸通过GPR81除了可调控星形胶质细胞功能和学习记忆的形成，还能诱导大脑中的血管再生和癫痫发生以及影响神经活动和神经发生等一系列中枢活动[28-30]。近期研究表明，乳酸还会作为信号分子调节内质网和线粒体之间Mg2+转运和代谢[31]。此外，赵英明团队首次证明，组蛋白H3K18乳酸化参与表观遗传修饰，影响下游转录变化[32]。总而言之，这些结果强调了乳酸在信号传递中的突出作用。

2.3 乳酸影响可塑性和学习记忆

突触可塑性是联系神经元活动之间可调节性的强度变化。长期突触可塑性包括长时程增强(long-term potentiation，LTP)和长时程抑制(long-term deression, LTD)，与学习记忆、抑郁以及中枢神经系统疾病的发生发展密切相关。有报道称，星形胶质细胞内，糖原的分解和乳酸的释放对于维持突触强度的LTP是不可或缺的[33]。这一过程也是长时记忆形成的关键环节，但不影响短时记忆。而干扰乳酸转运体及相关关键酶则会影响记忆的形成导致小鼠遗忘发生。给予外源性乳酸则挽救上述效应。提示乳酸供能可能影响长时记忆某一功能或结构的持续改变[34]。乳酸通过激活NMDA受体活性及Erk1/2通路促进可塑性相关关键基因在体内外表达，例如BDNF、c-Fos、细胞骨架活性调节蛋白重组蛋白(recombinant activity regulated cytoskeleton associated protein，Arc)和锌指编码基因268(zinc-finger encoding gene 268,Zif268)，从而调控学习记忆，进而证明了可能是通过信号分子的角色来发挥作用[35,36]。同样，另有研究证明，外源性乳酸能够增加原代神经元细胞中的Arc、Zif268和c-Fos等即刻早期表达基因的转录水平，上调血清反应因子重组蛋白(recombinant serum response factor，SRF)、早期生长应答蛋白1(early growth response gene1，Egr1)和NF-κB等转录因子的水平。有趣的是，这些转录因子广泛参与神经元突触活动和学习[37]。给予外源性乳酸能使健忘小鼠海马的突触棘密度增加，加强LTP的生理效应调节突触可塑性的强度[38]。使用光遗传技术特异性地操控星形胶质细胞cAMP的上调,会引起胞内乳酸大量释放，来影响突触可塑性和记忆[25]。乳酸对突触的可塑性发挥着正向作用，但乳酸是否通过GPR81影响cAMP，或者其他未知受体来影响突触活动，这需要进一步研究探讨。Fig.1显示星形胶质细胞衍生乳酸的产生和释放及其与神经元的关系。

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 乳酸与中枢系统疾病

3.1 乳酸与抑郁症

抑郁症的发生与能量代谢障碍和突触可塑性密切相关，而乳酸在能量代谢中发挥着关键作用，并能调节突触活动，推测乳酸可能具有抗抑郁作用[35]。直到2018年，Carrard等[39]首次报道，腹腔注射外源性乳酸能升高海马乳酸水平以及调控星形胶质细胞功能、神经发生和cAMP信号转导相关的靶基因表达来发挥抗抑郁效应。在慢性社交挫败应激之前给予乳酸预处理，发现能够显著降低社交挫败应激中的抑郁易感型小鼠数量，给予腹腔注射乳酸改善抑郁鼠的抑郁样表型，由海马中Ⅰ类组蛋白去乙酰化酶的活性来介导[40]，提示乳酸不仅能产生抗抑郁效应还能降低应激易感性。在雌鼠更年期抑郁模型中，乳酸产生抗抑郁的效应机制可能是激活下丘脑中蛋白激酶C，升高了脑内5-羟色胺和多巴胺水平[41]。这些研究表明，乳酸及其下游通路在中枢的抗抑郁作用方式是多样性的。因此，确定乳酸抗抑郁作用的关键脑区及机制，有助于寻找抑郁症药物治疗的新靶点。

此外，抑郁症和焦虑症在临床表现上有着交叉样行为，而海马神经发生受损是抑郁和焦虑发生的共同关键性环节[42]。在慢性不可预测应激焦虑抑郁模型中发现，大鼠的肠道微生物群代谢的乳酸的水平显著增加。这表明，乳酸可能在促进焦虑行为的发生，其机制可能是通过肠-脑轴来调控鞘氨醇-1-磷酸受体2激活脑内的焦虑相关信号通路，提示微生物肠道源性乳酸对情绪认知行为有负面影响[43]。值得注意的是，这与上述外源性乳酸抗抑郁作用截然相反，提示不同来源的乳酸可能对抑郁焦虑样等情感障碍的作用靶点是有差异的。

3.2 乳酸与阿尔兹海默病

AD是一种十分常见的神经退行性疾病，其特征性病理改变是β淀粉样蛋白(β-amyloid protein，Aβ)形成的老年斑，以及Tau磷酸化导致的神经纤维缠结[44, 45]。近年，AD的脑能量代谢受到越来越多的关注。其中，Aβ沉积与能量代谢及线粒体障碍有关。在APP/PS1小鼠的AD模型中，脑实质乳酸水平和多种MCT亚型均下调。有趣的是，AD小鼠的神经元LDHA、LDHB均降低，而LDHA/LDHB比值升高，这是有利于神经元产生乳酸的。然而，这种酶的代偿性变化仍不足以填补神经元的能量缺乏[46,47]。最近的数据表明，默认模式网格(default mode network, DMN)功能障碍可能与Aβ沉积和能量代谢有关联。在AD病人中，脑脊液乳酸水平明显升高。使用正电子体层扫描发现，在构成DMN的内侧前额叶皮质、眶额前脑皮层、海马旁回中，葡萄糖代谢低下，这与脑脊液乳酸水平的升高有显著关系[48]。有最新报道强调，脑能量代谢治疗对神经退行性疾病有着积极作用，而乳酸在阿尔茨海默病的能量代谢障碍中发挥着关键性的作用[8]。因此，深入探讨乳酸能量代谢对于AD的防治是非常迫切的。

3.3 乳酸与脑损伤

创伤性脑损伤(traumatic brain injury，TBI)和缺血性脑损伤是在临床上脑损伤中十分常见的疾病。一项最新研究发现，复制创伤性脑损伤模型前腹腔给予乳酸预处理，能明显改善脑外伤大鼠神经功能，并且损伤脑区的同侧海马和皮质区中的GPR81表达明显增加。其机制可能是通过激活GPR81而实现的。此外，乳酸也逆转了创伤性脑损伤诱导MCT2及可塑性相关蛋白质的低表达[49]。结果相反的是，在大脑中动脉闭塞的小鼠模型发现，GPR81过表达增加了细胞对缺血损伤的敏感性，说明乳酸可能通过激活GPR81加重缺血性脑损伤[50]。造成结果迥异的原因可能是在大脑缺血缺氧的情况下会造成大量的乳酸产生，并使细胞处于一个过酸的微环境，从而触发严重的氧化应激损伤和神经元凋亡[51]。在一项临床试验中，对于急性脑损伤病人予以高渗乳酸液体复苏治疗，能够明显改善大脑血流灌注和能量代谢障碍[52]。基于脑损伤病理过程的复杂性与其发病机制了解甚少，故进一步探究乳酸能量底物和信号分子的功能作为治疗脑损伤疾病的潜在靶点是十分重要的。

4 问题与展望

乳酸在中枢神经系统扮演的角色是复杂又多样的。一方面，通过星形胶质细胞-神经元乳酸穿梭途径为神经元供能；另一方面，作为信号分子参与调节神经元兴奋性、可塑性及学习记忆等过程。此外，乳酸与GPR81结合调控胞内cAMP水平。乳酸在中枢的双重作用对中枢功能的运转是关键，乳酸功能的障碍可能会影响抑郁症、AD及脑损伤等疾病的发展。目前，乳酸在脑区的许多作用机制仍尚不明确，影响相关神经系统疾病的通路机制亦了解甚少。通过干预乳酸及其下游通路机制在中枢的作用靶点，可能会成为未来治疗相关疾病新方法。此外，在中枢神经系统中，乳酸可能存在其他的未知受体及其新的信号通路仍值得进一步发掘。因此，深入研究乳酸在中枢的分子机制对相关神经系统疾病的早期诊断及防治具有重要的意义。