เมแทบอลิซึมของกลูโคสในสมอง: กุญแจไขสู่การรักษาแบบใหม่สำหรับโรคอัลไซเมอร์และพาร์กินสัน

สมองของมนุษย์มีฟันหวาน ซึ่งเผาผลาญพลังงานน้ำตาลหรือกลูโคสเกือบหนึ่งในสี่ของร่างกายทุกวัน ตอนนี้ นักวิจัยจาก Gladstone Institutes และ UC San Francisco (UCSF) ได้ให้ความกระจ่างใหม่ว่าเซลล์ประสาท-; เซลล์ที่ส่งสัญญาณไฟฟ้าผ่านสมอง-; บริโภคและเผาผลาญกลูโคสและวิธีที่เซลล์เหล่านี้ปรับตัวให้เข้ากับการขาดแคลนกลูโคส

ก่อนหน้านี้ นักวิทยาศาสตร์เคยสงสัยว่ากลูโคสส่วนใหญ่ที่สมองใช้ไปนั้นถูกเผาผลาญโดยเซลล์สมองอื่นๆ ที่เรียกว่า glia ซึ่งสนับสนุนการทำงานของเซลล์ประสาท

Ken Nakamura, MD, Ph.D., ผู้วิจัยร่วมกล่าวว่า "เรารู้อยู่แล้วว่าสมองต้องการกลูโคสจำนวนมาก แต่ก็ไม่ชัดเจนว่าเซลล์ประสาทต้องพึ่งพากลูโคสมากน้อยเพียงใดและใช้วิธีใดในการสลายน้ำตาล" Ken Nakamura, MD, Ph.D., ผู้วิจัย ร่วมกล่าว ที่ Gladstone และผู้เขียนอาวุโสของการศึกษาใหม่ที่ตีพิมพ์ในวารสารCell Reports "ตอนนี้ เรามีความเข้าใจที่ดีขึ้นมากเกี่ยวกับเชื้อเพลิงพื้นฐานที่ทำให้เซลล์ประสาททำงาน"

นักวิทยาศาสตร์จาก Gladstone และ UCSF ได้ให้ความกระจ่างว่าเซลล์ประสาทบริโภคและเผาผลาญกลูโคสอย่างไร ซึ่งอาจมีผลต่อการทำความเข้าใจโรคเกี่ยวกับความเสื่อมของระบบประสาท ต่อไปนี้คือ Ken Nakamura (ซ้าย), Yoshi Sei (กลาง) และ Myriam Chaumeil (ขวา) เครดิต: ภาพถ่าย: Michael Short/Gladstone Institutes

นักวิทยาศาสตร์จาก Gladstone และ UCSF ได้ให้ความกระจ่างว่าเซลล์ประสาทบริโภคและเผาผลาญกลูโคสอย่างไร ซึ่งอาจมีผลต่อการทำความเข้าใจโรคเกี่ยวกับความเสื่อมของระบบประสาท ต่อไปนี้คือ Ken Nakamura (ซ้าย), Yoshi Sei (กลาง) และ Myriam Chaumeil (ขวา) เครดิต: ภาพถ่าย: Michael Short/Gladstone Institutes

การศึกษาที่ผ่านมาระบุว่าการดูดซึมกลูโคสของสมองจะลดลงในระยะแรกของโรคเกี่ยวกับความเสื่อมของระบบประสาท เช่น อัลไซเมอร์และพาร์กินสัน การค้นพบใหม่นี้อาจนำไปสู่การค้นพบแนวทางการรักษาใหม่ๆ สำหรับโรคเหล่านั้น และนำไปสู่ความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับวิธีการรักษาสมองให้แข็งแรงเมื่ออายุมากขึ้น

ประเด็นที่สำคัญ

เซลล์ประสาทใช้กลูโคสและเผาผลาญโดย glycolysis เพื่อจัดหาสาร TCA

HP 13C MRS แสดงพลังงานสมองที่หยุดชะงักเมื่อเมแทบอลิซึมของกลูโคสในเซลล์ประสาทหยุดชะงัก

หนูต้องการการดูดซึมกลูโคสของเซลล์ประสาทและไกลโคไลซิสเพื่อการเรียนรู้และความจำ

เมแทบอลิซึมของกาแลคโตสถูกควบคุมเพื่อชดเชยการเผาผลาญกลูโคสที่หยุดชะงัก

น้ำตาลธรรมดา

อาหารหลายอย่างที่เรากินเข้าไปถูกย่อยสลายเป็นกลูโคส ซึ่งสะสมไว้ที่ตับและกล้ามเนื้อ ขนส่งไปทั่วร่างกาย และเผาผลาญโดยเซลล์เพื่อขับเคลื่อนปฏิกิริยาเคมีที่ทำให้เรามีชีวิตอยู่

นักวิทยาศาสตร์ถกเถียงกันมานานแล้วว่าเกิดอะไรขึ้นกับกลูโคสในสมอง และหลายคนเสนอว่าเซลล์ประสาทเองไม่ได้เผาผลาญน้ำตาล พวกเขาเสนอว่าเซลล์ glialใช้กลูโคสส่วนใหญ่แล้วเติมเชื้อเพลิงแก่เซลล์ประสาทโดยทางอ้อมโดยการส่งผลิตภัณฑ์เมตาบอลิซึมของกลูโคสที่เรียกว่าแลคเตต อย่างไรก็ตาม หลักฐานที่สนับสนุนทฤษฎีนี้มีน้อยมาก-; ส่วนหนึ่งเป็นเพราะความยากลำบากสำหรับนักวิทยาศาสตร์ในการสร้างวัฒนธรรมของเซลล์ประสาทในห้องทดลองที่ไม่มีเซลล์เกลีย

กลุ่มของ Nakamura แก้ไขปัญหานี้โดยใช้เซลล์ต้นกำเนิด pluripotent (เซลล์ iPS) เพื่อสร้างเซลล์ประสาทของมนุษย์ที่บริสุทธิ์ เทคโนโลยีเซลล์ IPS ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเปลี่ยนเซลล์ผู้ใหญ่ที่เก็บจากตัวอย่างเลือดหรือผิวหนังให้เป็นเซลล์ชนิดใดก็ได้ในร่างกาย

จากนั้น นักวิจัยได้ผสมเซลล์ประสาทกับน้ำตาลกลูโคสในรูปแบบที่ติดฉลาก ซึ่งพวกมันสามารถติดตามได้แม้ในขณะที่มันถูกทำลาย การทดลองนี้เผยให้เห็นว่าเซลล์ประสาทสามารถรับน้ำตาลกลูโคสและแปรรูปเป็นสารที่มีขนาดเล็กลงได้

เพื่อตรวจสอบได้อย่างแม่นยำว่าเซลล์ประสาทใช้ผลิตภัณฑ์ของกลูโคสที่เผาผลาญอย่างไร ทีมงานได้กำจัดโปรตีนที่สำคัญ 2 ชนิดออกจากเซลล์โดยใช้การตัดต่อยีน CRISPR โปรตีนชนิดหนึ่งช่วยให้เซลล์ประสาทนำเข้ากลูโคส และอีกชนิดหนึ่งจำเป็นสำหรับไกลโคไลซิส ซึ่งเป็นเส้นทางหลักที่เซลล์มักจะเผาผลาญกลูโคส การกำจัดโปรตีนเหล่านี้หยุดการสลายกลูโคสในเซลล์ประสาทของมนุษย์ที่แยกได้

"นี่เป็นหลักฐานที่ตรงไปตรงมาและชัดเจนที่สุดว่าเซลล์ประสาทกำลังเผาผลาญกลูโคสผ่านไกลโคไลซิส และพวกมันต้องการเชื้อเพลิงนี้เพื่อรักษาระดับพลังงานปกติ" นากามูระ ซึ่งเป็นรองศาสตราจารย์ในภาควิชาประสาทวิทยาของ UCSF กล่าว

เติมพลังการเรียนรู้และความจำ

ต่อมากลุ่มของ Nakamura หันไปหาหนูเพื่อศึกษาความสำคัญของการเผาผลาญกลูโคสของเซลล์ประสาทในสัตว์ที่มีชีวิต พวกเขาออกแบบเซลล์ประสาทของสัตว์-; แต่ไม่ใช่เซลล์สมองชนิดอื่น-; ขาดโปรตีนที่จำเป็นสำหรับการนำเข้ากลูโคสและไกลโคไลซิส เป็นผลให้หนูเหล่านี้พัฒนาการเรียนรู้และความจำอย่างรุนแรงเมื่ออายุมากขึ้น

สิ่งนี้ชี้ให้เห็นว่าเซลล์ประสาทไม่เพียงแต่มีความสามารถในการเผาผลาญกลูโคสเท่านั้น แต่ยังต้องพึ่งพาไกลโคไลซิสสำหรับการทำงานปกติอีกด้วย นากามูระอธิบาย

"น่าสนใจ การขาดดุลบางส่วนที่เราเห็นในหนูที่มีไกลโคไลซิสบกพร่องจะแตกต่างกันไประหว่างตัวผู้และตัวเมีย" เขากล่าวเสริม "จำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อทำความเข้าใจว่าทำไมจึงเป็นเช่นนั้น"

Myriam M. Chaumeil, Ph.D.,รองศาสตราจารย์ที่ UCSF และผู้เขียนร่วมของผลงานชิ้นใหม่นี้ ได้พัฒนาวิธีการสร้างภาพระบบประสาทเฉพาะทางโดยอาศัยเทคโนโลยีใหม่ที่เรียกว่า hyperpolarized carbon-13 ซึ่งจะเผยให้เห็นระดับของผลิตภัณฑ์โมเลกุลบางชนิด การถ่ายภาพของกลุ่มของเธอแสดงให้เห็นว่าเมแทบอลิซึมของสมองของหนูเปลี่ยนไปอย่างไรเมื่อไกลโคไลซิสถูกบล็อกในเซลล์ประสาท

"วิธีการสร้างภาพระบบประสาทดังกล่าวให้ข้อมูลที่ไม่เคยมีมาก่อนเกี่ยวกับเมแทบอลิซึมของสมอง" Chaumeil กล่าว "สัญญาของการถ่ายภาพเมแทบอลิซึมเพื่อแจ้งชีววิทยาพื้นฐานและปรับปรุงการดูแลทางคลินิกนั้นมีอยู่มากมาย ยังคงมีการสำรวจอีกมาก"

ผลการถ่ายภาพช่วยพิสูจน์ว่าเซลล์ประสาทเผาผลาญกลูโคสผ่านไกลโคไลซิสในสัตว์ที่มีชีวิต พวกเขายังแสดงศักยภาพของวิธีการถ่ายภาพของ Chaumeil เพื่อศึกษาว่าเมตาบอลิซึมของกลูโคสเปลี่ยนแปลงอย่างไรในมนุษย์ที่เป็นโรคต่างๆ เช่น อัลไซเมอร์และพาร์กินสัน

ในที่สุด นากามูระและผู้ร่วมงานของเขาได้สำรวจว่าเซลล์ประสาทปรับตัวอย่างไรเมื่อไม่สามารถรับพลังงานผ่านไกลโคไลซิส-; ซึ่งอาจเกิดขึ้นกับโรคทางสมองบางชนิด

ปรากฎว่าเซลล์ประสาทใช้แหล่งพลังงานอื่น เช่น โมเลกุลน้ำตาลกาแลคโตสที่เกี่ยวข้อง อย่างไรก็ตาม นักวิจัยพบว่ากาแลคโตสไม่ได้เป็นแหล่งพลังงานที่มีประสิทธิภาพเท่ากับกลูโคส และไม่สามารถชดเชยการเผาผลาญกลูโคสที่สูญเสียไปได้อย่างเต็มที่

"การศึกษาที่เราดำเนินการได้เริ่มขึ้นเพื่อความเข้าใจที่ดีขึ้นว่าเมแทบอลิซึมของกลูโคสเปลี่ยนแปลงและก่อให้เกิดโรคได้อย่างไร" นากามูระกล่าว

ห้องปฏิบัติการของเขาวางแผนการศึกษาในอนาคตเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงเมตาบอลิซึมของกลูโคสในเซลล์ประสาทกับโรคเกี่ยวกับความเสื่อมของระบบประสาทเกมบาคาร่าโดยร่วมมือกับทีมของ Chaumeil และวิธีที่การบำบัดด้วยพลังงานสามารถกำหนดเป้าหมายไปที่สมองเพื่อกระตุ้นการทำงานของเซลล์ประสาท

เกี่ยวกับสถาบันแกลดสโตน

Gladstone Institutesเป็นองค์กรวิจัยด้านชีววิทยาศาสตร์อิสระที่ไม่แสวงหาผลกำไร ซึ่งใช้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีที่มีวิสัยทัศน์เพื่อเอาชนะโรค ก่อตั้งขึ้นในปี 2522 ตั้งอยู่ในศูนย์กลางของนวัตกรรมชีวการแพทย์และเทคโนโลยีในย่าน Mission Bay ของซานฟรานซิสโก แกลดสโตนได้สร้างแบบจำลองการวิจัยที่ขัดขวางการทำงานของวิทยาศาสตร์ ให้ทุนสนับสนุนแนวคิดที่ยิ่งใหญ่ และดึงดูดผู้ที่มีความคิดที่เฉียบแหลมที่สุด