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肌萎缩侧索硬化(ALS)是一种进行性且致命的神经退行性疾病，其特征是上、下运动神经元(MNs)的选择性变性。尽管ALS的具体发病机制尚未完全阐明，但越来越多的证据表明，异常的能量代谢在疾病的发生和进展中起着关键作用。乳酸传统上被认为是糖酵解的代谢副产物，近年来
肌萎缩侧索硬化(ALS)是一种进行性且致命的神经退行性疾病，其特征是上、下运动神经元(MNs)的选择性变性。尽管ALS的具体发病机制尚未完全阐明，但越来越多的证据表明，异常的能量代谢在疾病的发生和进展中起着关键作用。乳酸传统上被认为是糖酵解的代谢副产物，近年来受到越来越多的关注。研究表明，乳酸不仅是一种重要的能量底物，还是一种信号分子，调节多种生理过程，包括神经元-胶质细胞代谢偶联、神经保护和炎症反应。在ALS中，乳酸代谢异常、乳酸穿梭功能障碍以及乳酸相关信号通路失调可能共同导致神经元能量缺陷和神经炎症加剧，从而促进运动神经元变性。本综述总结了ALS中乳酸代谢和乳酸介导信号转导的最新进展，特别强调了它们在神经元能量调节、神经保护和炎症调控中的作用。此外，研究人员还讨论了针对乳酸代谢及其相关通路的潜在治疗策略，旨在为ALS的发病机制和乳酸相关代谢治疗方法的开发提供新的见解。
论文主体部分总结
1. 引言
肌萎缩侧索硬化(ALS)是一种致死性、进行性神经退行性疾病，选择性攻击上、下运动神经元(MNs)，导致肌肉无力、萎缩，最终瘫痪，多数患者在症状出现后3至5年内死于呼吸衰竭。其发病机制复杂，涉及神经毒性物质积累、蛋白质错误折叠与聚集、轴突运输障碍、线粒体功能障碍、氧化应激、神经炎症及神经营养支持不足等。全身性代谢异常，包括进行性体重下降和能量稳态失衡，在ALS患者中常见，并非运动障碍的单纯继发后果，而是参与ALS病理生理过程。细胞能量代谢失调被认为是ALS发病的关键机制之一，涉及运动神经元及周围胶质细胞、骨骼肌和肝脏等外周组织。高热量营养支持可改善患者预后并延长生存期。运动神经元因胞体大、轴突长、持续电活动而具有极高能量需求，主要通过葡萄糖转运蛋白3(GLUT3)摄取葡萄糖，但葡萄糖可能不足以满足其巨大能量需求。运动神经元主要表达单羧酸转运蛋白2(MCT2)，可高效摄取星形胶质细胞和少突胶质细胞提供的乳酸。乳酸虽传统上被视为糖酵解废物，但现已被证实是重要能量底物和信号分子，参与多种生理过程。星形胶质细胞-神经元乳酸穿梭(ANLS)假说认为，星形胶质细胞经糖酵解产生乳酸，通过单羧酸转运蛋白(MCTs)释放，神经元摄取乳酸并转化为丙酮酸进入三羧酸(TCA)循环产生ATP。研究表明，外源性乳酸补充或代谢通路调节在ALS细胞和动物模型中具有神经保护作用。乳酸代谢异常可见于阿尔茨海默病(AD)、帕金森病(PD)和ALS等多种神经退行性疾病。
2. 乳酸代谢与生理功能
2.1 乳酸产生
人体多种组织产生乳酸，包括剧烈运动时的骨骼肌、肠组织、皮肤、脑星形胶质细胞、红细胞及肿瘤组织。在CNS中，星形胶质细胞和少突胶质细胞通过有氧糖酵解产生乳酸，并转运至神经元作为ATP产生的能量底物。剧烈运动时骨骼肌高糖酵解活性导致乳酸快速积累。病理条件下如心肌梗死或休克，组织缺氧诱导无氧糖酵解，乳酸产生增加。成熟红细胞无线粒体，其能量代谢完全依赖糖酵解，即使在常氧下也持续产生乳酸。许多肿瘤细胞即使在氧充足时仍表现出高水平乳酸产生，即Warburg效应。
2.2 乳酸清除与利用
乳酸产生和清除维持动态平衡。主要清除途径包括肝脏糖异生（Cori循环）、肾脏代谢排泄和多种组织的直接氧化利用。肝脏通过Cori循环将乳酸转化为葡萄糖，对运动、禁食及疾病状态下的葡萄糖稳态至关重要。肾脏在剧烈运动或高乳酸血症时直接排泄乳酸，约占总清除的10-12%，其余通过糖异生等代谢途径清除。肾皮质具有显著糖异生能力，肾髓质-皮质间存在乳酸-葡萄糖代谢循环。代谢性酸中毒时肾脏增加乳酸重吸收和糖异生，同时产生碳酸氢盐缓冲酸中毒。此外，富含线粒体、高乳酸脱氢酶(LDH)活性并表达MCTs的组织可直接氧化乳酸。心肌细胞、慢肌纤维和神经元等可优先利用乳酸作为快速氧化燃料。骨骼肌中，慢肌纤维直接氧化乳酸，快肌纤维主要产生乳酸。脑中，乳酸通过ANLS支持神经元能量代谢。
2.3 乳酸穿梭系统
乳酸穿梭概念将乳酸视为可循环利用的能量载体，在组织内和组织间主动穿梭，连接产生位点和利用位点。细胞内乳酸穿梭涉及线粒体膜上的LDH和MCTs，乳酸直接转运至线粒体氧化。细胞间乳酸穿梭的典型例子是脑内ANLS，星形胶质细胞处理葡萄糖产生乳酸并传递给神经元。少突胶质细胞通过MCT1释放乳酸，被神经元经MCT2摄取，形成少突胶质细胞-神经元乳酸穿梭，对维持长运动神经元轴突完整性至关重要。乳酸穿梭同时传递代谢和环境信号，调节细胞反应和全身代谢适应。
2.4 乳酸转运蛋白（MCT家族）
MCTs属于溶质载体(SLC)家族，由胞内N端、C端和12个跨膜螺旋组成，介导乳酸、丙酮酸和酮体等单羧酸盐的质子偶联转运。SLC16家族14个成员中，MCT1(SLC16A1)、MCT2(SLC16A7)、MCT3(SLC16A8)和MCT4(SLC16A3)能转运L-乳酸。MCT介导双向转运，取决于质子及单羧酸盐的跨膜梯度。MCT1广泛表达，对乳酸亲和力较高(Km=3-5 mM)，在氧化组织中介导乳酸摄取。MCT1缺乏导致肌肉内乳酸升高，其表达可增强线粒体活性并促进氧化肌纤维转化。MCT2主要表达于神经系统神经元，对乳酸亲和力最高(Km=0.5-0.8 mM)，介导神经元摄取胶质细胞来源的乳酸，参与神经元兴奋性和突触可塑性调节。MCT3表达局限于视网膜色素上皮(RPE)和脉络丛上皮，调节跨视网膜屏障的乳酸转运。MCT4与MCT1互补，主要介导糖酵解细胞的乳酸外排，对乳酸亲和力较低(Km=22-28 mM)但转运能力强，有助于维持糖酵解通量和细胞内pH稳定。在CNS中，MCT4高表达于星形胶质细胞，参与ANLS的乳酸释放。
2.5 乳酸作为信号分子
乳酸不仅是代谢中间产物，还作为信号分子参与多种生理病理过程。乳酸受体可感知细胞外乳酸并通过细胞内信号通路传递信号。
2.5.1 HCAR1-cAMP信号通路
羟基羧酸受体1(HCAR1)，又称GPR81，是研究最清楚的乳酸受体，属于G蛋白偶联受体(GPCR)。乳酸激活HCAR1后偶联Giα/o蛋白，抑制腺苷酸环化酶活性，降低细胞内环磷酸腺苷(cAMP)水平。在脂肪组织中，HCAR1激活抑制激素敏感性脂肪酶，减少脂解。在CNS中，HCAR1参与神经血管偶联调节，促进神经元能量稳态并发挥神经保护作用。乳酸-HCAR1信号与学习记忆、自闭症样行为、癫痫易感性及轴突髓鞘发育相关。此外，HCAR1信号在巨噬细胞和树突状细胞中抑制TNF-α和IL-6等促炎细胞因子表达，发挥抗炎和免疫调节作用。
2.5.2 乳酸-HIF-1α信号
乳酸抑制脯氨酰羟化酶(PHDs)活性，阻止缺氧诱导因子-1α(HIF-1α)的泛素化降解，从而稳定HIF-1α。稳定的HIF-1α促进糖酵解、刺激血管生成、增强细胞存活。在缺氧适应中，HIF-1α参与正反馈回路，增强糖酵解促进乳酸产生，而乳酸进一步稳定HIF-1α信号。HIF-1α可转录上调MCT4，促进乳酸外排。
2.5.3 其他相关信号通路
乳酸-HCAR1信号可调节PI3K/Akt通路，影响NADPH氧化酶活性以调节氧化应激。GPR132是质子感应GPCR，在乳酸富集的酸性环境中介导下游信号，调节免疫细胞迁移和炎症反应，尤其在肿瘤微环境和慢性炎症中。
2.6 蛋白质乳酸化
蛋白质乳酸化是一种新发现的翻译后修饰，乳酸衍生的乳酰基共价添加到赖氨酸残基上，将细胞代谢状态与表观遗传调控直接联系。最初在组蛋白上发现，现已知也存在于多种非组蛋白。乳酸化在巨噬细胞中促进伤口愈合和抗炎相关基因转录，使巨噬细胞从促炎状态向修复表型转变。在CNS中，神经元活动增强或脑乳酸水平升高可引起组蛋白乳酸化变化，参与活动依赖性基因表达调控。p300可能参与乳酸化催化过程。乳酸化可能广泛连接代谢状态与蛋白质功能和细胞信号。
3. ALS中乳酸代谢及乳酸介导信号的失调
3.1 ALS中乳酸水平与代谢的改变
在ALS患者组织、动物模型和细胞系统中观察到乳酸代谢异常。乳酸水平在疾病进展中变化，并存在组织、阶段和模型间的异质性。
3.1.1 CNS中的乳酸代谢改变
关于脑脊液(CSF)乳酸水平的研究结果存在争议，一些研究显示ALS患者CSF乳酸升高，另一些则未发现显著差异。在无症状SOD1-G93A小鼠中检测到脑干乳酸显著降低，提示乳酸代谢紊乱可能早于运动神经元变性。随着疾病进展，CNS乳酸出现区域特异性变化。早期阶段，脊髓运动神经元突触体中糖酵解和TCA循环关键酶活性代偿性增加，但LDH活性未成比例增加。ALS中少突胶质细胞MCT1表达降低，损害对轴突的代谢支持，加剧胶质细胞与运动神经元间的代谢失衡。
3.1.2 外周神经系统和全身隔室的乳酸代谢改变
静息外周血乳酸水平在ALS中具有预后价值。较低的静息血乳酸预测更短的生存期和更明显的体重下降，而较高血浆乳酸与较长生存期显著相关。运动后乳酸消除速率减慢，而非乳酸浓度本身，与功能衰退加快相关，提示外周线粒体功能障碍和代谢应激耐受受损。SOD1-G93A小鼠终末期表现为血乳酸降低而骨骼肌乳酸升高，伴LDH活性和MCT1表达下降，表明外周代谢网络重塑。
3.1.3 整合视角：乳酸失调作为代谢重编程的中心枢纽
ALS运动神经元中乳酸失调既是广泛代谢紊乱的后果，也可能是其放大器。葡萄糖代谢受损、脂质利用改变和线粒体功能障碍破坏丙酮酸氧化和ATP产生，改变乳酸生成、摄取、利用和外排平衡。异常的乳酸处理可能干扰细胞氧化还原稳态、能量供应和代谢敏感信号通路。细胞内乳酸可用性变化可能影响乳酸化修饰，但在ALS中仍需直接验证。
3.2 ALS中乳酸穿梭中断和乳酸转运蛋白功能障碍
胶质细胞与神经元间乳酸穿梭的破坏被认为是ALS代谢衰竭的重要组分。ALS星形胶质细胞除反应性激活外，还存在乳酸介导的代谢支持受损。在突变SOD1模型中，星形胶质细胞乳酸外排运输受损，脊髓乳酸水平降低。增加乳酸供应可改善运动神经元存活。TDP-43相关模型中，星形胶质细胞有氧糖酵解和乳酸产生可能增加，但MCT1下调限制乳酸外排，减少对神经元的代谢支持。少突胶质细胞MCT1表达在ALS患者和SOD1小鼠中显著降低，且发生较早，损害轴突乳酸供应。突变SOD1少突胶质细胞可诱导运动神经元过度兴奋和死亡。然而，人类iPSC研究未检测到一致的乳酸释放或MCT1 mRNA变化，提示模型依赖性。外周神经系统中，施万细胞特异性MCT1敲除损害神经肌肉支配，表明MCT1对维持神经肌肉接头完整性至关重要。MCT2在ALS中的直接证据有限且不一致。MCT4可能参与ALS乳酸穿梭功能障碍，但具体作用尚不明确。
3.3 ALS中乳酸相关信号通路的失调
3.3.1 HIF-1α相关信号失调
乳酸可通过抑制PHD稳定HIF-1α，构成不依赖缺氧的激活途径。ALS模型小鼠脊髓运动神经元中HIF-1α表达进行性增加，但运动神经元未能通过HIF-1α通路产生充分神经保护反应。散发性ALS患者单核细胞在缺氧条件下表现异常HIF-1反应。SOD1-G93A小鼠中HIF-1α及下游靶标VEGF、HO-1、EPO在运动神经元变性期间改变。ALS患者脊髓前角细胞胞质HIF-1α免疫反应性增加，而VEGF及其受体减少，表明HIF-1α积累与下游信号输出不匹配。在突变SOD1小鼠中，HIF-1α从胞质到核的转运受损。药理性稳定HIF-1α（如DMOG）可减少缺氧损伤、胶质激活、凋亡和运动神经元变性，并延长生存期。
3.3.2 BDNF/TrkB相关信号异常
在正常神经系统中，运动可增加循环成熟脑源性神经营养因子(mBDNF)，运动期间乳酸输注可进一步增强此反应。乳酸可增强NMDAR介导的信号和细胞内钙增加，并通过SIRT1依赖性通路（涉及PGC-1α和FNDC5）促进Bdnf表达。在ALS中，谷氨酸代谢异常和兴奋毒性、BDNF/TrkB信号改变常见，但结果不完全一致。ALS患者脊髓剩余运动神经元BDNF样免疫反应降低，NGF和TrkA信号增加。BDNF相关变化可能在不同组织和区间存在差异。
3.3.3 PGC-1α相关代谢适应
PGC-1α是线粒体生物发生和细胞代谢适应的重要调节因子。在SOD1-G93A小鼠和散发性ALS患者中，脊髓和骨骼肌中PGC-1α及其调节因子改变，且肌肉中最早出现。增加PGC-1α活性可保护线粒体生物发生和肌肉功能，过表达PGC-1α对神经元具有保护作用。乳酸是神经元PGC-1α系统的诱导剂，但在携带FUS突变的患者来源运动神经元中，这一CNS特异性反应丧失。乳酸代谢改变可能损害PGC-1α相关适应性信号，削弱线粒体维持和细胞应激抵抗。
3.3.4 HCAR1介导的乳酸信号
ALS中HCAR1介导乳酸信号的直接证据有限。ALS伴有皮质过度兴奋、谷氨酸转运受损、兴奋毒性应激和持续神经炎症，这些变化为HCAR1相关信号提供了可能受影响的生物学背景。但当前研究尚未清楚证明ALS组织或模型中HCAR1表达、定位或下游信号的疾病特异性变化。因此HCAR1介导的信号被认为是潜在相关但尚未充分明确的组分。
3.3.5 蛋白质乳酸化
ALS中蛋白质乳酸化异常的直接证据有限。ALS进展伴有乳酸代谢改变、线粒体功能障碍、葡萄糖代谢受损和神经炎症，可能重塑乳酸化相关调节所需的代谢环境。在其他CNS疾病中，免疫细胞和胶质细胞乳酸化变化与炎症相关基因转录调控相关，提示在ALS中探索该通路的间接支持。乳酸稳态改变和代谢应激可能干扰乳酸化依赖性基因调控，影响神经炎症反应和细胞应激通路。
4. 靶向乳酸代谢在ALS中的治疗潜力
4.1 影响乳酸稳态的代谢干预
ALS常伴有全身性能量失衡和营养不良。二氯乙酸(DCA)通过抑制丙酮酸脱氢酶激酶(PDK)激活丙酮酸脱氢酶复合物(PDH)，将丙酮酸导向线粒体氧化代谢，减少乳酸转化。在SOD1-G93A模型中，DCA增强星形胶质细胞线粒体偶联，减轻其对运动神经元的毒性，改善运动功能和存活。DCA还改善异常胶质细胞线粒体功能，抑制其增殖和神经毒性，减少运动神经元变性和胶质增生，并降低细胞外乳酸水平。生酮饮食提供非葡萄糖能量底物，可改善代谢状态并部分延缓运动衰退。三庚酸甘油酯对TCA循环具有回补作用，减少运动神经元丢失和延迟症状发作。高热量饮食主要补偿ALS中增加的能量消耗，维持全身能量平衡，对乳酸代谢的影响是继发性的。
4.2 乳酸补充作为治疗干预
有关ALS中乳酸补充的直接研究有限。体外研究显示，ALS少突胶质细胞对运动神经元的乳酸支持降低，添加2 mM乳酸可增加运动神经元存活，某些情况下完全拯救。最近研究报道，乙醇酸和D-乳酸改善了FUS-ALS和SOD1-ALS患者来源运动神经元的线粒体和溶酶体运输缺陷，联合治疗可恢复轴突运输表型，而L-乳酸在该环境中无效。在SOD1-G93A小鼠中，乳酸单独或与AMD3100联合未改善生存期或疾病发作，但观察到髓鞘再生和星形胶质细胞病理的某些变化。D-乳酸和乙醇酸在临床前模型中显示出更有希望的效果，但需严谨临床试验验证。
4.3 靶向MCT家族
MCT1是目前ALS中治疗相关性最强的MCT。早期证据显示少突胶质MCT1缺失与轴突和运动神经元易损性相关。ALS来源少突胶质细胞乳酸产生和释放减少，诱导运动神经元损伤。然而，AAV9介导的MCT1基因递送在SOD1-G93A小鼠中实现良好少突胶质转导和转基因表达，但未改善疾病发作、运动性能或存活。上调少突胶质MCT1联合外源乳酸也未显著改善疾病进展。MCT2和MCT4直接作为治疗靶点的研究有限。
4.4 乳酸相关信号通路作为潜在治疗靶点
HIF-1α和BDNF/TrkB信号具有较实质治疗证据。ONO-1301-MS减少SOD1-G93A小鼠脊髓异常升高的HIF-1α及其下游EPO、VEGF，同时增加成熟BDNF和ATP水平，改善晚期运动功能和运动神经元存活。铁螯合剂M30增加HIF-1α及其靶基因，增强BDNF表达，延迟疾病发作并延长生存期。TrkB激动剂7,8-二羟基黄酮(7,8-DHF)改善SOD1-G93A小鼠运动性能和运动神经元存活。肌肉注射BDNF-TTC融合蛋白延迟症状发作、保留肌肉神经支配并改善脊髓运动神经元存活。删除截短TrkB.T1受体延缓运动神经元变性和肌肉无力。运动干预改善神经肌肉接头处BDNF/TrkB信号并减少运动神经元丢失。HCAR1和蛋白质乳酸化作为治疗靶点的直接证据不足。
5. 结论与展望
乳酸不仅是传统代谢中间产物，还作为CNS中的能量底物和信号分子。在ALS中，乳酸代谢紊乱、胶质细胞与神经元间乳酸转运和代谢支持受损、乳酸相关信号通路失调可能共同导致神经元能量缺乏、神经炎症增加和突触功能障碍，增加运动神经元易损性。治疗策略包括高热量饮食、生酮饮食、外源性乳酸补充以及靶向乳酸转运蛋白或信号通路的干预，在实验中显示出一定效果，但多数证据来自基础研究，临床数据有限。未来需进一步阐明乳酸代谢在ALS发病中的精确作用，关注乳酸作用的阶段特异性和细胞类型特异性，以及神经元-胶质代谢偶联、神经炎症调控和表观遗传改变间的相互作用，并开展更严格的临床研究评估靶向乳酸通路干预的安全性和有效性。
