Nature：星形膠質細胞雪中送炭，捐贈線粒體給受損神經元

圖片來源：GerryShaw/Wikimedia Commons

如果你的汽車行駛在半路突然停電了，你可能會去尋求道路救援或者好心群眾的幫助。而在大腦中，當神經元因損傷失去了自己的「電池」——線粒體時又該怎麼辦呢？

近日，來自麻省總醫院的研究團隊發表於nature上的一項研究解答了這個問題，神經元也會請求它們的救援團隊——星形膠質細胞的幫助。後者將額外的線粒體輸送給那些掙扎中的神經元。科學家們說，儘管在初步研究階段，這個發現可能為幫助人們從中風及腦損傷中恢復提供了一個新思路。

拉賓神經生物學研究所的神經生物學家Reuven Stein說，這是一個十分有趣和重要的研究，因為它為星型膠質細胞保護神經元提供了一個新機制。星形膠質細胞，是哺乳動物腦內分布最廣泛的一類細胞，也是膠質細胞中體積最大的一種。它們伸展充填在神經細胞的胞體及其突起之間，起支持和分隔神經細胞的作用。此外，星形膠質細胞還可以分泌一些神經營養因子和細胞因子，在維持神經元的生長、分化以及免疫調節過程中發揮著重要作用。

為了負擔起大腦內信息傳導所消耗的巨大能量，神經元需要非常多的「分子燃料」——ATP，後者由細胞內的「能量加工廠」——線粒體所產生。但如果線粒體損傷或者它們的產能跟不上細胞需求，那麼能量供應就會耗竭，細胞也會死亡。

事實上，早在2014年，就有文獻首次報道大腦中的細胞可以轉移線粒體——只不過這一過程看上去像是在「扔垃圾」。神經元會釋放損傷的線粒體，而星形膠質細胞負責將它們吞噬並降解。麻省總醫院的神經科學家Eng Lo和Kazuhide Hayakawa想知道這一轉移過程是否可以換種方式進行，比如說——星形膠質細胞或許可以為那些危難中的神經元送去有功能的線粒體。那時，已經有其他小組的研究支持它們的猜想： 2012年的一篇文章報道了骨髓幹細胞可以將線粒體「捐獻」給那些重度損傷的肺細胞。

為了探究大腦中是否也可以出現這種類型的「捐贈」。Lo聯合幾位北京的研究人員檢測星形膠質細胞是否可以釋放健康的線粒體。已有研究表明，星形膠質細胞可以通過一種胞外酶——CD38識別來自神經元的求救信號。當出現損傷時，包括星形膠質細胞在內，機體將廣泛地合成這種酶。Lo和同事通過基因工程使小鼠過表達CD38基因，然後提取小鼠的星形膠質細胞進行體外培養，發現它們釋放了大量仍具備功能的線粒體微粒。

研究人員用這些富含線粒體的培養基去培養瀕死的鼠神經元，發現神經元在24小時內吸收了這些線粒體。被重新「充電」的神經元又長出了新的樹突，與那些未收到「備用電池」的細胞相比，它們活得更久，ATP水平也更高。這一結果表明星形膠質細胞的線粒體確實是對神經元有益的。

接下來，研究小組需要確定在活體動物身上是否也能看到相同的現象。他們用小鼠建立腦中風損傷模型，並在小鼠損傷的腦區注射星形膠質細胞來源的線粒體，24h後殺鼠取腦，用顯微鏡觀察腦組織。研究人員發現小鼠神經元不僅吸收了線粒體，一些促進損傷細胞存活的分子水平也有所上升。

最後，研究小組檢測了CD38對線粒體轉運過程是否是必須的。他們將CD38 siRNA與對照siRNA注射到小鼠腦室，以干擾CD38的表達。在被CD38 siRNA處理的中風模型小鼠的神經元中，星形膠質細胞線粒體數量要比對照組少得多。同時，CD38未被抑制組的神經病學測試結果也明顯優於實驗組。

該團隊將這項研究結果發表在7月28日的nature上。Lo強調這項工作僅僅是一個「概念驗證研究」，但神經病學測試的結果也表明其與臨床的相關性。

因為CD38在機體的許多生理過程中都扮演著重要角色，其中還包括免疫系統，因此該研究結果尚不能用於尋求研發相關藥物。來自伯明翰大學的微生物學家Frances Lund提出這個觀點。此外，線粒體轉運過程是由CD38水平引發還是僅僅與其相關，這一點也尚未明確。但匹茲堡大學的神經生物學家Jun Chen十分期待這項發現可以為一些由線粒體損傷引起的疾病尋求新的療法。比如由於特定腦區多巴胺能神經元大量死亡引起的神經退行性疾病——帕金森病，也與線粒體損傷密切相關。如果有新的研究結果出現，或許在不久的將來，臨床醫生可以將健康的線粒體送到那些奄奄一息的神經元中去。

備註：本文編譯自Science網站，原標題：「Neurons get fresh 『batteries』 after stroke」。

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