Nature：星形胶质细胞雪中送炭，捐赠线粒体给受损神经元

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图片来源：GerryShaw/Wikimedia Commons

如果你的汽车行驶在半路突然停电了，你可能会去寻求道路救援或者好心群众的帮助。而在大脑中，当神经元因损伤失去了自己的“电池”——线粒体时又该怎么办呢？

近日，来自麻省总医院的研究团队发表于nature上的一项研究解答了这个问题，神经元也会请求它们的救援团队——星形胶质细胞的帮助。后者将额外的线粒体输送给那些挣扎中的神经元。科学家们说，尽管在初步研究阶段，这个发现可能为帮助人们从中风及脑损伤中恢复提供了一个新思路。

拉宾神经生物学研究所的神经生物学家Reuven Stein说，这是一个十分有趣和重要的研究，因为它为星型胶质细胞保护神经元提供了一个新机制。星形胶质细胞，是哺乳动物脑内分布最广泛的一类细胞，也是胶质细胞中体积最大的一种。它们伸展充填在神经细胞的胞体及其突起之间，起支持和分隔神经细胞的作用。此外，星形胶质细胞还可以分泌一些神经营养因子和细胞因子，在维持神经元的生长、分化以及免疫调节过程中发挥着重要作用。

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为了负担起大脑内信息传导所消耗的巨大能量，神经元需要非常多的“分子燃料”——ATP，后者由细胞内的“能量加工厂”——线粒体所产生。但如果线粒体损伤或者它们的产能跟不上细胞需求，那么能量供应就会耗竭，细胞也会死亡。

事实上，早在2014年，就有文献首次报道大脑中的细胞可以转移线粒体——只不过这一过程看上去像是在“扔垃圾”。神经元会释放损伤的线粒体，而星形胶质细胞负责将它们吞噬并降解。麻省总医院的神经科学家Eng Lo和Kazuhide Hayakawa想知道这一转移过程是否可以换种方式进行，比如说——星形胶质细胞或许可以为那些危难中的神经元送去有功能的线粒体。那时，已经有其他小组的研究支持它们的猜想： 2012年的一篇文章报道了骨髓干细胞可以将线粒体“捐献”给那些重度损伤的肺细胞。

为了探究大脑中是否也可以出现这种类型的“捐赠”。Lo联合几位北京的研究人员检测星形胶质细胞是否可以释放健康的线粒体。已有研究表明，星形胶质细胞可以通过一种胞外酶——CD38识别来自神经元的求救信号。当出现损伤时，包括星形胶质细胞在内，机体将广泛地合成这种酶。Lo和同事通过基因工程使小鼠过表达CD38基因，然后提取小鼠的星形胶质细胞进行体外培养，发现它们释放了大量仍具备功能的线粒体微粒。

研究人员用这些富含线粒体的培养基去培养濒死的鼠神经元，发现神经元在24小时内吸收了这些线粒体。被重新“充电”的神经元又长出了新的树突，与那些未收到“备用电池”的细胞相比，它们活得更久，ATP水平也更高。这一结果表明星形胶质细胞的线粒体确实是对神经元有益的。

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接下来，研究小组需要确定在活体动物身上是否也能看到相同的现象。他们用小鼠建立脑中风损伤模型，并在小鼠损伤的脑区注射星形胶质细胞来源的线粒体，24h后杀鼠取脑，用显微镜观察脑组织。研究人员发现小鼠神经元不仅吸收了线粒体，一些促进损伤细胞存活的分子水平也有所上升。

最后，研究小组检测了CD38对线粒体转运过程是否是必须的。他们将CD38 siRNA与对照siRNA注射到小鼠脑室，以干扰CD38的表达。在被CD38 siRNA处理的中风模型小鼠的神经元中，星形胶质细胞线粒体数量要比对照组少得多。同时，CD38未被抑制组的神经病学测试结果也明显优于实验组。

该团队将这项研究结果发表在7月28日的nature上。Lo强调这项工作仅仅是一个“概念验证研究”，但神经病学测试的结果也表明其与临床的相关性。

因为CD38在机体的许多生理过程中都扮演着重要角色，其中还包括免疫系统，因此该研究结果尚不能用于寻求研发相关药物。来自伯明翰大学的微生物学家Frances Lund提出这个观点。此外，线粒体转运过程是由CD38水平引发还是仅仅与其相关，这一点也尚未明确。但匹兹堡大学的神经生物学家Jun Chen十分期待这项发现可以为一些由线粒体损伤引起的疾病寻求新的疗法。比如由于特定脑区多巴胺能神经元大量死亡引起的神经退行性疾病——帕金森病，也与线粒体损伤密切相关。如果有新的研究结果出现，或许在不久的将来，临床医生可以将健康的线粒体送到那些奄奄一息的神经元中去。