代谢是影响干细胞行为的关键因素；然而，关于代谢在微环境中扮演的角色我们仍然知之甚少。Wang等近期刊登在《细胞•干细胞》杂志上的研究显示：大脑血管内皮细胞通过调节乳酸水平维持健康的代谢环境，并直接影响成体神经干细胞。

细胞的代谢状态对其行为有很大的影响。例如，成体干细胞在整个生命周期中都履行着组织维护和修复的重要功能，它们处于糖酵解状态，伴随着分化逐渐转为氧化磷酸化。大脑中的成体神经干细胞（neural stem cells，NSCs）就类似于这种代谢方式，神经干细胞至少在两个区域[海马的颗粒下区（subgranular zone，SGZ）和侧脑室的室管膜下区]产生新生神经元。大多数干细胞代谢研究都集中在细胞内在变化，然而我们对代谢微环境的作用及其对干细胞活性的影响知之甚少。《细胞·干细胞》杂志上发表的一项研究显示，大脑血管内皮细胞（endothelial cells，ECs）控制着乳酸的水平，而乳酸强烈影响着成体NSCs和新生神经元的数量。

通过EC特异性的PTEN基因敲除（磷酸酶和张力蛋白同源物，一种抑制Akt通路的脂质/蛋白质磷酸酶），研究人员观察到了对海马神经发生的巨大影响：ECs中PTEN的缺乏导致NSC扩增增加，而新生神经元数目却减少。另外，这些EC特异性PTEN基因敲除小鼠（SP-A-Cre； PTENfl/fl）显示出海马依赖性学习受损，表明脑EC功能改变带来认知障碍。

为了排除发育影响，作者接下来使用了EC特异性诱导性PTEN基因敲除模型（Cdh5-CreERT2；PTENfl/fl）。同样，SGZ中的增殖细胞数量在模型小鼠2个月大时增加。然而，在较大的基因敲除小鼠（7个月）中，增殖显著降低，NSC池减少，这表明生出后EC中PTEN的缺失会导致成体NSC异常增殖，最终导致NSC池衰竭。

大脑EC的两个关键功能是将营养物质从血液传输到大脑细胞，并向血液排出降解产物。为了解决这些关键的大脑EC功能是否受损的问题，研究测量了海马组织匀浆中的葡萄糖、乳酸和氨基酸，发现敲除PTENfl/fl基因的小鼠体内乳酸水平升高。在海马体内注射乳酸和通过渗透性微型泵在野生型动物体内注入乳酸均可模拟PTEN敲除表型，导致NSC扩增增加，新生神经元减少。这有力地表明，细胞外乳酸堆积是EC-PTEN基因敲除小鼠大脑中神经发生紊乱的原因。

乳酸通过葡萄糖有氧代谢或无氧糖酵解而产生，最初被认为是废物，然而，现在它被认为是能量底物和信号分子。在大脑中，星形胶质细胞是乳酸的主要来源。星形胶质细胞可以向邻近神经元分泌乳酸，后者摄取乳酸并将其转化回丙酮酸，以产生能量。这种星形胶质细胞-神经元乳酸穿梭模型现在已被广泛接受，甚至有人提出，神经元优先使用乳酸而不是葡萄糖，从而使这种代谢产物成了研究正常脑功能和认知疾病的极有趣的候选物。乳酸的双向运输是由所谓的一元羧酸转运蛋白(monocarboxylate transporters，MCTs)介导的，它有多种亚型，呈现出细胞特异性的表达模式。

通过对大脑EC的RNA测序和Western blot分析，研究者确实发现，在PTEN敲除小鼠中，MCT1显著下调。他们在体外通过对大脑EC使用激活剂和抑制剂操纵Akt途径，证明PTEN / Akt通路对MCT1水平有调节作用，表明PTEN基因敲除与MCT1下调、乳酸水平升高之间存在直接关联，这可能会阻止乳酸通过这种转运蛋白排入血液。

为了进一步支持这种联系，研究者用CRISPR / Cas9造就了条件性EC特异性MCT1基因敲除小鼠（MCT1fl/fl），并将其与SP-A-Cre小鼠杂交。与以前的实验一致，大脑EC中缺少MCT1会增加乳酸水平，并伴有海马中NSC的增加和成熟新生神经元的减少。脑部注射放射性标记的乳酸表明，乳酸的积累是由于这些小鼠向血液的外排减少所致。然而，虽然MCT1有双向转运功能，但乳酸从血液向大脑的流入却并未改变。因此，尚需确定为什么要有这样的优势方向性以及是否通过其他MCT来控制流入。条件性MCT1基因敲除小鼠也模拟出了认知功能障碍，表明乳酸稳态通常对正常认知功能也很重要。

研究者还做了几个实验来挽救乳酸堆积后的神经发生改变。利用一种EC特异性腺相关病毒(AAV-BR1)，他们让PTEN敲除小鼠的大脑ECs过表达MCT1。这种病毒MCT1过表达导致乳酸水平恢复，足以挽救认知能力，并使新生神经元的成熟正常化、NSC增殖也正常化。作者通过将PTENfl/fl小鼠与Aktfl/fl小鼠/SP-A-Cre小鼠杂交，来抑制Akt信号的增加，由此产生的小鼠也表现出海马内乳酸水平的恢复，伴随正常的神经发生。

这项研究表明，EC调节代谢微环境的正常功能极大地影响了NSC的行为。尽管尚待确定细胞外乳酸是如何对NSC和新生神经元发挥作用的，但值得注意的是，它对这两个细胞群的作用并不相同，进一步支持了干细胞及其分化后代的不同代谢需求。此外，神经干细胞对微环境中乳酸水平变化的反应可能解释了神经干细胞如何“感知”体力活动中发生的变化。研究表明，奔跑会令啮齿动物的神经发生增加。由于血液中的乳酸水平会随着体力锻炼而改变，因此，这种代谢物很可能是介导运动相关作用的主要因素。Wang等的最新研究数据进一步支持了微环境中乳酸的变化可以直接影响NSC的增殖。另一项新研究观察到，注射乳酸后新生神经元数量增加，而对NSC增殖或早期分化没有影响，并且认知没有改变。

在这两项研究中，乳酸的剂量和暴露情况有所不同。尽管看似矛盾，但这恰恰说明了大脑实质中的“理想”乳酸浓度必须谨慎调节，并且这种稳态的改变会产生长期影响。考虑到Wang等在研究中所描述的乳酸堆积对整体海马认知的影响，乳酸稳态的重要性就非常明显了。虽然成熟的神经元利用乳酸作为能量底物，但乳酸过多也会损害其功能。有趣的是，衰老的大脑乳酸水平较高，几种神经退行性疾病也伴有代谢改变，而这可能会导致认知损害。综上所述，这些研究表明，代谢微环境可能是改善认知能力和神经发生的关键调节器和靶标。

（编译：杜泽一）

参考文献：Cell Stem Cell 2019;25:729-731