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。該研究通過整合能量代謝組學分析和實時乳酸動態監測技術，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代謝組學分析服務。
實驗材料
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；乳酸傳感器與共培養；基因治療（AAV-MCT1）等
研究背景
脊髓損傷(SCI)是導致早逝和長期殘疾的主要原因，其發病率和患病率在1990-2019年間顯著上升。SCI的病理過程復雜，初始機械損傷會引發一系列繼發性損傷，包括血管完整性破壞、血-脊髓屏障(BSCB)功能障礙、缺血/缺氧微環境形成等。這些變化導致損傷中心區持續代謝紊亂，但代謝異常如何影響神經組織重塑和功能恢復尚不明確。SCI后，損傷中心的血管痙攣和血栓形成導致長期缺氧缺血，引發細胞能量代謝危機。研究表明乳酸既是糖酵解終產物，也可作為神經元能量底物（通過"乳酸穿梭"機制）和信號分子。雖然星形膠質細胞-神經元乳酸穿梭已被廣泛研究，但脊髓血管內皮細胞是否通過單羧酸轉運蛋白1(MCT1)介導乳酸轉運支持神經元代謝仍屬未知。本研究的主要目的是探究MCT1在SCI后EC與神經元間乳酸轉運中的作用，并驗證通過靶向恢復MCT1表達能否改善代謝紊亂、促進軸突再生和功能恢復。
研究重點
本研究揭示了SCI后EC中MCT1表達下調導致乳酸代謝軸斷裂的機制。研究發現，盡管損傷區乳酸水平升高，但EC中MCT1表達降低阻礙了乳酸向神經元的轉運，導致神經元能量供應不足，進而抑制軸突再生。通過基于FRET的乳酸傳感器證實，EC與神經元間存在直接接觸依賴的乳酸轉運，而MCT1抑制劑α-CHCA處理可顯著抑制EC的血管生成能力和神經元軸突延伸。研究進一步通過AAV-MCT1靶向修復EC的MCT1表達，成功促進軸突再生并改善運動功能，為SCI治療提供了代謝干預新策略。該發現突破了傳統神經營養因子療法的局限，突出了內皮-神經元代謝偶聯在神經再生中的關鍵作用。
技術路線
研究結果
1、脊髓損傷后增強的糖酵解代謝
鎖定關鍵代謝分子：研究人員通過靶向能量代謝組學分析發現，SCI后7天的小鼠模型中，糖酵解代謝顯著增強，表現為乳酸、D-葡萄糖-6-磷酸、β-D-果糖-6-磷酸等關鍵代謝物水平顯著升高（圖1A-B），且KEGG通路分析證實糖酵解途徑的代謝物整體上調（圖1C）。乳酸作為糖酵解核心產物被確定為SCI后的關鍵代謝分子，為后續研究提供了重要方向。
圖1. 精準靶向代謝組學分析鎖定脊髓損傷后受影響最大的功能性代謝物
2、內皮細胞來源的乳酸滋養神經細胞
作用機制探索：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接觸直接支持神經元能量代謝的生物學作用。
圖2. 內皮細胞來源的乳酸滋養神經細胞
3、脊髓損傷后EC中MCT1的缺乏
作用機制探索：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后內皮細胞功能受損，MCT1介導的乳酸-神經元穿梭中斷，可能加劇代謝失衡。
圖3. SCI后MCT1的時空表達
4、內皮細胞中MCT1的缺乏會抑制血管生成和糖酵解
MCT1是調控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通過調節乳酸轉運平衡ECs能量代謝，進而影響其血管生成和修復能力。
圖4. 抑制ECs MCT1表達導致生物學和代謝功能下降
5、神經元利用乳酸來增加糖酵解并促進軸突再生
作用機制揭示：內皮細胞（bEnd.3）通過MCT1介導的乳酸穿梭直接增強神經元的糖酵解能力并促進軸突再生。共培養實驗顯示，乳酸處理使與bEnd.3接觸的神經元CFP/YFP熒光比值升高（表明乳酸攝取增加），而MCT1抑制劑α-CHCA則抑制該效應。體外實驗進一步證實，乳酸處理可促進神經突生長并逆轉糖酵解抑制劑2-DG的抑制作用；在模擬脊髓損傷的軸突斷裂模型中，乳酸處理的bEnd.3細胞通過直接接觸顯著增強神經元軸突再生能力，且該過程依賴MCT1功能。蛋白質印跡分析表明，乳酸通過提升糖酵解酶活性支持神經元能量代謝，從而驅動再生。
圖5. 神經元利用乳酸增強糖酵解并促進軸突再生
6、在脊髓內皮細胞中過度表達MCT1可以挽救脊髓損傷小鼠受損的神經發生
功能驗證：通過腺相關病毒（AAV-MCT1）靶向恢復脊髓ECs中MCT1的表達，可顯著促進SCI小鼠的軸突再生和功能恢復。實驗顯示，AAV-MCT1在血管ECs中特異性表達（與巨噬細胞、膠質細胞無共定位），并增強損傷核心邊緣的神經絲蛋白（NF）和β-Tubulin III（TUJ1）陽性軸突再生，證實MCT1介導的乳酸穿梭對修復SCI后神經功能具有關鍵作用。
圖6. 脊髓內皮細胞MCT1的過表達挽救了SCI小鼠受損的神經發生
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介導的乳酸代謝軸斷裂機制：SCI導致損傷區乳酸積累，但EC中MCT1表達下調阻礙了乳酸向神經元的轉運，引發神經元能量危機并抑制軸突再生。通過AAV靶向恢復EC的MCT1表達，可促進乳酸穿梭、增強神經元糖酵解活性（HK1/PFKM/PKM1上調），進而驅動軸突再生（NF/TUJ1陽性信號增加）和運動功能恢復（BMS評分提升），為SCI治療提供了代謝干預新策略。
原文鏈接：
//www.thno.org/v14p5662.htm
