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为探究肌萎缩侧索硬化症（ALS）的发病机制，研究人员以携带 TDP-43G376D突变的家族成员为对象，对其成纤维细胞的能量代谢和氧化应激进行研究。结果发现相关细胞存在代谢重编程等现象，这为 ALS 的诊疗提供了潜在的生物标志物和新方向。
在神经科学领域，肌萎缩侧索硬化症（Amyotrophic Lateral Sclerosis，ALS）犹如一颗难以攻克的顽石，严重威胁着人类健康。这是一种致命的神经退行性疾病，患者的上、下运动神经元会选择性退化，进而导致全身进行性瘫痪，多数患者在确诊后的 3 - 5 年内便会走向死亡。ALS 分为散发性（sALS，占 90%）和家族性（fALS，占 5 - 10%）两种类型，其中，部分 fALS 由特定基因突变引发 ，像 TARDBP 基因的突变就与 4 - 5% 的 fALS 相关，该基因编码的 TAR DNA 结合蛋白 43（TDP - 43）发生 p.G376D 突变时，会促使蛋白错误定位到细胞质并形成有毒聚集体，可细胞核中 TDP - 43 却相应减少，致使其核功能受损。然而，目前这种突变引发神经退行性病变的具体分子机制仍不明确。与此同时，代谢功能障碍在 ALS 发病过程中的作用逐渐受到关注，氧化应激、线粒体损伤与能量代谢失衡之间的复杂关联也有待深入挖掘，且临床上急需有效的方法来分层诊断 ALS 患者、精准识别疾病进展标志物。
为了揭开这些谜团，来自意大利等多地研究机构的研究人员（包括意大利圣乔瓦尼罗通多的 Fondazione IRCCS Casa Sollievo della Sofferenza、米兰比可卡大学等）针对携带 TDP - 43G376D突变的意大利 fALS 家族展开了深入研究，相关成果发表在《Cell Death and Disease》杂志上。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：从健康志愿者和携带 TDP - 43G376D突变的家族成员（包括无症状和有症状患者在疾病不同阶段）的皮肤活检获取原代成纤维细胞；借助 Seahorse 技术实时检测活细胞的能量代谢相关指标，如 ATP 生成速率、线粒体呼吸和糖酵解通量等；利用 Western blot 分析特定蛋白的表达水平；通过多种荧光探针和高内涵显微镜检测细胞内的氧化应激指标和线粒体形态功能参数。
研究结果
- 细胞增殖和 ATP 生成：与健康对照相比，来自 TARDBP 家族的成纤维细胞生长速度更快，其中 ALS 患者的成纤维细胞在疾病进展过程中生长速度持续加快。ATP 生成方面，TARDBP 家族成纤维细胞的总 ATP 生成速率显著高于对照细胞。具体来说，家族对照细胞主要依赖糖酵解产生 ATP，无症状的 TDP - 43G376D携带者细胞则等量利用糖酵解和氧化磷酸化（OXPHOS），而患者早期主要通过线粒体呼吸产生 ATP，晚期则更依赖糖酵解。
- 线粒体呼吸功能：研究发现，TDP - 43G376D突变增强了线粒体呼吸。TARDBP 家族成纤维细胞的耗氧率（OCR）和细胞外酸化率（ECAR）均高于非相关对照细胞。在不同细胞类型中，无症状携带者和早期患者的线粒体耦合程度较低，存在线粒体应激，但在疾病从早期向晚期转变过程中，可通过上调糖酵解来应对这种应激。
- 氧化应激水平：TARDBP 家族成纤维细胞的总谷胱甘肽水平低于非相关对照细胞，这表明其抗氧化系统效率较低。除晚期患者外，家族成员细胞内的活性氧（ROS）水平均有所增加。晚期患者细胞内总 ROS 水平低于早期患者，但胞质超氧阴离子（O2?）含量增加，同时超氧化物歧化酶（SOD）尤其是线粒体 SOD2 的表达增强。
- 线粒体形态和功能参数：在形态方面，对照细胞和 TDP - 43G376D携带者细胞的线粒体总质量和活性 / 总线粒体比例无明显差异。不过，TARDBP 家族成纤维细胞，尤其是患者细胞的线粒体膜电位更高，电子传递更快。在相关蛋白表达上，除晚期患者外，家族成员成纤维细胞的线粒体融合调节蛋白 OPA1 表达水平高于对照细胞，而线粒体分裂相关蛋白 MFF 在无症状携带者和晚期患者细胞中略高于对照细胞。
- 代谢底物依赖性：研究显示，所有 TARDBP 家族成纤维细胞对谷氨酰胺的依赖增加，对脂肪酸的依赖减少。晚期 ALS 患者的成纤维细胞对葡萄糖的依赖增加了 10%，这与其高糖酵解状态相符。
研究结论与讨论
本研究通过对携带 TDP - 43G376D突变的 fALS 家族成纤维细胞的研究，揭示了该家族细胞存在的共同生物能量改变以及患者细胞在疾病进展过程中的特异性特征。TARDBP 家族细胞的抗氧化防御系统受损，总谷胱甘肽水平较低，尽管患者细胞中 SOD2 表达上调，但仍难以有效应对氧化应激，导致 ROS 水平升高。这种氧化应激可能促使线粒体融合增强，进而提高线粒体呼吸速率。同时，家族成员细胞的代谢方式存在差异，不同细胞通过独特的代谢重排来实现较高的 ATP 生成速率。在疾病进展过程中，患者细胞的代谢进一步改变，从早期以线粒体呼吸为主逐渐转变为晚期高度依赖糖酵解，这一过程伴随着线粒体功能的逐渐衰退。
这些研究结果为深入理解 ALS 的发病机制提供了重要线索，患者成纤维细胞中能量代谢的改变有望作为疾病风险生物标志物，用于监测 ALS 的疾病进展。不过，目前尚不清楚 TDP - 43G376D促进线粒体呼吸上调的具体机制，后续还需对更复杂的 ALS 细胞模型进行研究，结合代谢组学分析等手段，进一步明确 TDP - 43 突变影响细胞生物能量学的详细机制，为开发针对 ALS 的有效治疗策略奠定基础。
