培养的原代大鼠星形胶质细胞对果糖的消耗

《Neurochemical Research》：Consumption of Fructose by Cultured Primary Rat Astrocytes

　　

近年来，果糖在与富含蔗糖饮食相关疾病的背景下引起了广泛关注。多项研究表明，星形胶质细胞能够在一定程度上代谢果糖，但效率低于葡萄糖。为了研究果糖是否以及如何为星形胶质细胞的能量代谢提供燃料，研究人员使用培养的原代星形胶质细胞作为模型。这些细胞以时间和浓度依赖性的方式消耗果糖，遵循表观米氏常数类型动力学，其 K_M 值为 2.8 ± 0.9 mM，最大反应速率（V_Max）值为 325 ± 32 nmol/(mg × h)。尽管葡萄糖的特异性消耗和葡萄糖产生乳酸的生成量比果糖的相应值高约 4 倍，但果糖和葡萄糖以相似的浓度依赖性阻止了饥饿期间星形胶质细胞 ATP 的流失。然而，如果线粒体氧化磷酸化受损，在喂食果糖和葡萄糖的星形胶质细胞之间观察到了严重差异。对于果糖处理的星形胶质细胞，应用线粒体 ATP 再生抑制剂几乎使低基础糖酵解乳酸产量增加了一倍，但这不足以阻止细胞 ATP 含量的快速严重流失及随后的细胞毒性。相比之下，对于葡萄糖处理的细胞，糖酵解的强烈上调与缓慢的 ATP 流失和延迟的毒性发作有关。尽管星形胶质细胞裂解物中的己糖激酶对果糖具有较高的 K_M 值（4.4 ± 1.1 mM），但即使在暴露于 10 mM 果糖后，星形胶质细胞裂解物中几乎检测不到游离果糖，这表明限制星形胶质细胞果糖消耗的不是磷酸化过程，而是果糖的摄取过程。所提供的数据表明，需要毫摩尔浓度的果糖才能使这种己糖成为星形胶质细胞代谢的合适细胞外底物，并且果糖代谢主要通过线粒体呼吸提供能量。

近年来，富含蔗糖饮食引起了广泛关注，过量摄入果糖与肥胖、糖尿病、炎症、心血管异常及脑功能障碍等多种疾病有关。虽然肠道和肝脏负责大部分果糖代谢，但过量摄入会导致血液中果糖浓度迅速升高，进而可能影响大脑功能。星形胶质细胞作为神经元的重要伙伴，在培养条件下具有广泛的代谢潜力。既往研究表明，星形胶质细胞能够代谢果糖，但其效率远低于葡萄糖，且果糖作为星形胶质细胞代谢底物的限制因素尚不明确。为探究果糖能否以及如何为星形胶质细胞能量代谢供能，并明确果糖代谢的限制因素，研究人员开展了这项研究。这项研究证明了毫摩尔浓度的果糖能够作为星形胶质细胞的代谢底物，且其能量生成高度依赖于线粒体氧化磷酸化。该论文发表在《Neurochemical Research》上，为理解大脑果糖代谢机制及其潜在影响提供了重要的实验依据。

研究人员使用新生Wistar大鼠全脑制备的星形胶质细胞富集原代培养物作为样本来源。通过酶联测定法结合己糖磷酸异构酶（HPI）量化细胞外己糖和乳酸浓度，利用基于荧光素酶的发光法检测细胞内ATP含量，通过测定乳酸脱氢酶（LDH）释放量评估细胞毒性。此外，采用耦合酶法测定细胞裂解物中己糖激酶（HK）的动力学参数，并利用高氯酸裂解和荧光检测分析细胞内游离己糖含量。

培养星形胶质细胞的果糖消耗
研究发现，星形胶质细胞以时间和浓度依赖性方式消耗果糖，遵循表观米氏动力学，其K_M值为2.8 ± 0.9 mM，V_Max值为325 ± 32 nmol/(mg × h)。虽然葡萄糖的消耗和乳酸生成速率约为果糖的4倍，但两种己糖在实验浓度下均未引起明显的细胞毒性。

饥饿期间果糖对星形胶质细胞ATP含量的维持
在饥饿状态下，1 mM及以上的果糖或葡萄糖均能有效防止星形胶质细胞内ATP含量的流失。尽管葡萄糖的消耗速率更快，但两种己糖在维持细胞ATP水平方面表现出相似的浓度依赖性。

代谢途径抑制对星形胶质细胞果糖和葡萄糖消耗的影响
在应用抗霉素A等线粒体呼吸抑制剂后，果糖处理的细胞无法通过加速糖酵解来代偿ATP的再生，导致ATP迅速耗竭和细胞毒性；而葡萄糖处理的细胞则能强烈上调糖酵解，延缓ATP流失和毒性发作。糖酵解抑制剂2-脱氧-D-葡萄糖（2DG）降低了两种己糖的消耗，而磷酸戊糖途径（PPP）抑制剂G6PDi-1未产生明显影响。

GluT5抑制剂对星形胶质细胞果糖消耗影响的测试
应用GluT5抑制剂MSNBA后，星形胶质细胞的果糖消耗和乳酸生成仅被部分抑制，表明GluT5转运蛋白参与了果糖摄取，但扩散等其他机制可能也发挥了重要作用。

星形胶质细胞己糖激酶对果糖和葡萄糖的动力学参数
通过测定细胞裂解物中HK的活性，发现HK对果糖和葡萄糖的最大比活性相似，但HK对果糖的K_M值（4.4 ± 1.1 mM）比葡萄糖（49 ± 10 μM）高出近两个数量级。

己糖暴露的培养星形胶质细胞中游离果糖或葡萄糖存在性的测试
在暴露于高达10 mM的果糖后，细胞内几乎检测不到游离果糖；而在暴露于10 mM葡萄糖后，则可检测到大量游离葡萄糖。这表明限制星形胶质细胞果糖消耗的主要因素是果糖的跨膜摄取，而非胞内的磷酸化过程。

讨论与结论总结
综上所述，果糖需要达到毫摩尔浓度才能成为星形胶质细胞代谢的有效底物，且其代谢主要依赖于线粒体氧化磷酸化，而果糖摄取缓慢是限制其代谢的关键瓶颈。由于生理条件下血清中的果糖浓度仅为微摩尔级别，星形胶质细胞在体内可能无法大量代谢血液来源的果糖。星形胶质细胞对果糖代谢的低效性可能使得过量的果糖进一步渗透至大脑深层，从而影响对果糖更为敏感的其他脑细胞类型。

研究结论表明，毫摩尔浓度的果糖能够使培养的星形胶质细胞将这种己糖作为能量底物进行代谢，并且果糖衍生代谢物的氧化磷酸化对此过程至关重要。果糖的消耗和代谢在很大程度上取决于可用的果糖浓度，并受限于向细胞内的缓慢摄取。因此，至少在培养条件下，如果应用毫摩尔浓度的果糖，星形胶质细胞能够利用并代谢果糖作为能量底物。然而，在生理条件下，星形胶质细胞是否在实质上参与了大脑的果糖代谢仍存疑问，因为血清中的果糖仅以低微摩尔浓度存在。需要进一步的研究来探讨星形胶质细胞对高浓度果糖的适应是否以及如何改变这些细胞代谢果糖的潜力。