XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Актуальность. Лактат является одним из наиболее распространенных метаболитов в организме млекопитающих и вырабатывается во всех клетках, включая нейроны и глию головного мозга. Считалось, что лактат, образовавшийся в ходе анаэробного гликолиза, является своеобразным «метаболическим тупиком», который в клетке может превратиться только в пируват. Однако все больше данных указывает на то, что лактат представляет собой многофункциональную сигнальную молекулу с собственными рецепторами и играет важную роль в коммуникации между клетками и тканями в ЦНС, изменяя активность нейронов с помощью разнообразных механизмов, поэтому важно обобщить представления о его роли в деятельности ЦНС.

Цель исследования: оценить роль лактата как малой сигнальной молекулы и рассмотреть некоторые аспекты его влияния на ЦНС.
Результаты исследования и их обсуждение.
Лактат образуется путем восстановления пирувата лактатдегидрогеназой (LDH, ЕС 1.1.1.27) во время гликолиза в анаэробных или аэробных условиях. LDH представляет собой тетрамерный фермент, который катализирует обратимую реакцию превращения

пирувата в лактат и наоборот в зависимости от условий.

Концентрация D-лактата в сыворотке крови колеблется от 0,013-0,2 ммоль/л, в отличие от уровня L-лактата, норма содержания которого в крови в состоянии относительного покоя составляет 0.5–2.0 ммоль/л (15–30 мг%) и существенно возрастает при выполнении интенсивной физической работы [1]. Суточная выработка лактата у людей в состоянии покоя оценивается примерно в 20 ммоль/кг/сут. У взрослых со средней массой тела 70 кг ежедневно вырабатывается примерно 1400 ммоль лактата из мышц (25%), кожи (25%), головного мозга (20%), красных кровяных телец (20%) и кишечника (10%) [2].

Лактат является эффективным топливом для мозга in vivo [3]. У находящихся в состоянии покоя людей после абсорбции глюкоза является предпочтительным источником топлива для мозга. В большинстве случаев у находящихся в состоянии покоя людей доставка глюкозы в мозг (5 мМ и 180 г/моль) велика по сравнению с соответствующими значениями для лактата (1,0 мМ и 89 г/моль). Следовательно, у находящихся в состоянии покоя людей после абсорбции вклад лактата в дополнительное питание мозга низок по сравнению с глюкозой. При концентрации лактата в плазме 1,0 мМ в строгой оценке он обеспечивает 8–12% общей потребности мозга в энергии [4]. Однако, если оценить важность «подпитки» мозга, просто учитывая поглощение чистого метаболита, то топливная роль лактата в мозге не будет оценена. Два типа случаев описывают важность лактата в «подпитке» мозга: это черепно-мозговая травме (ЧМТ) и физические нагрузки у здоровых людей. У пациентов с ЧМТ в коматозном состоянии роль лактата в подпитке головного мозга оказалась впечатляющей, поскольку большая часть (70–80%) циркулирующей в крови глюкозы была произведена посредством глюконеогенеза из лактата [4]. Кроме того, чистое поглощение лактата обеспечивало 12% топлива для мозга. Следовательно, опосредованно через глюконеогенез (45%) и напрямую (12%), большая часть (57%) топлива для мозга была получена из лактата. Как продукт гликолиза и субстрат для глюконеогенеза лактат можно рассматривать как связующее звено между различными метаболическими путями. В 1985 году Джордж Брукс [5] предложил гипотезу лактатного челнока. В настоящее время признано, что лактатные челноки и метаболическое взаимодействие опосредуют окислительно-восстановительный и энергетический гомеостаз не только между клетками, тканями и на уровне всего организма, но также и на внутриклеточном уровне. Лактатный челнок обнаружен в различных клетках, тканях и органах, включая мозг [6]. Приблизительно половина имеющегося лактата удаляется путем окисления в состоянии покоя и до 80% во время физической нагрузки [7]. В человеческом мозге на лактат приходится примерно 7% потребности в энергии во время отдыха. У здоровых людей во время физических упражнений уровень лактата в плазме может увеличиваться на порядок и более. Например, при 10-кратном повышении концентрации чистое поглощение лактата увеличивается до 25% в процессе физических нагрузок [4]. Лактат из крови либо окисляется нейронами, либо преобразуется и запасается в виде гликогена. Лактат транспортируется в нейроны (называемый астроцитно-нейрональным лактатным челноком), окисляется до пирувата и используется в цикле трикарбоновых кислот (цикл Кребса) [8,9]. Необходимо отметить, что в исследованиях наблюдается предпочтение церебрального лактата над глюкозой [10], и в то же время поступление лактата в мозг снижает чистое поглощение глюкозы. Это наблюдение указывает на важный феномен челночного лактата.

Эффективное окисление лактата и его транспорт между клетками обеспечивает набор ферментов и транспортеров. Транспорт лактата через клеточные мембраны становится возможным благодаря наличию монокарбоксилатных транспортеров (MCT). Это, в частности, MCT1, MCT2 и MCT4, которые наиболее распространены в головном мозге, и все они способны транспортировать лактат, пируват и кетоновые тела [11]. На каждую перенесенную молекулу лактата, необходим протон, поэтому эти транспортные системы зависят от концентрации H+. MCT1 экспрессируется в основном эндотелиальными клетками, эпендимоцитами и астроцитами, MCT4 экспрессируется астроцитами, тогда как MCT2 обнаруживается почти исключительно в нейронах [12]. Попадая внутрь клеток мозга, лактат может косвенно регулировать их функцию, поскольку гликолитическое превращение лактата в пируват генерирует NADH, т.е. увеличивает NADH/NAD+ соотношение [13]. Увеличение соотношение АTФ/АДФ в результате окисления образующего из лактата пирувата регулирует активность АТФ-чувствительных K+ каналов в гипоталамусе, которые закрываются при повышении концентрации АТФ и это приводит к деполяризации мембраны [14]. Отмеченный перенос протонов также приводит к внутриклеточному понижению pH и ингибированию фермента фосфофруктокиназы, и потенциально других близлежащих ионных каналов, транспортных систем и рецепторов, что также модулирует энергетический метаболизм клетки. Лактат может достигать головного мозга с периферии, но в нормальных условиях приток лактата из кровотока в ЦНС довольно ограничен из-за гематоэнцефалического барьера и небольшого градиента концентрации. Поэтому некоторые действия лактата нельзя отнести к его внутриклеточной сигнальной активности, а можно объяснить только тем, что лактат действует внеклеточно в качестве сигнальной молекулы. И предполагается, что лактат может активировать специальные рецепторы (LLRS) на нервных клетках и вызывать активацию метаболизма глюкозы и липидов в кортикальных астроцитах, изменяет их нейронную активность и стимулирует высвобождение норадреналина из норадренергических нейронов.
Астроциты вовлечены в разные механизмы модуляции нейронных сетей. Они не активны электрически в такой же степени, как нейроны, но при этом они могут реагировать на многие сигнальные молекулы в мозге такие как АТФ, глутамат или D-серин [15, 16, 17]. Последние связываются с астроглиальными метаботропными GPCR рецепторами, что приводит к внутриклеточному увеличению сигналов Ca2+ и/или цАМФ в астроцитах [18]. В отличие от нейронов, астроциты идеально подходят для того, чтобы служить источником лактата, поскольку они способны накапливать глюкозу в виде гликогена [19]. В ответ на повышенную активность нейронов астроциты повышают метаболизм глюкозы, т.е. поглощение глюкозы из кровотока, гликогенолиза и гликолиза с образованием лактата [20]. Астроциты могут следить за активностью нейронов через изменения концентрации внеклеточного K+. Локальное изменение концентрации внеклеточного K+ приводит к деполяризации мембраны астроцитов, приводящей к повышению внутриклеточного pH в результате работы Na+/HCO3- транспортера, что в итоге стимулирует аэробный гликолиз, скорее всего, активацией фосфофруктокиназы [21]. Сосудисто-нервный блок тоже является системой слежения – астроциты реагируют на оксид азота (NO), который выделяется эндотелиоцитами, это вещество ингибирует дыхание астроцитов и стимулирует аэробный гликолиз, запасы глюкозы истощаются и вырабатывается лактат в результате ингибирования митохондриальной цитохромоксидазы и повышения активности фосфофруктокиназы [22].

Заключение. Лактат проявляет многогранные эффекты в головном мозге, включая общую физиологическую роль в обеспечении нейронов энергетическим метаболизмом, так и являясь сигнальной молекулой. В таком контексте, наряду с другими сигнальными молекулами (АТФ, Глутамат), лактат открывает дополнительные сигнальные пути в головном мозге. Сегодня эта «малая сигнальная молекула» участвует в формировании энергетического тонуса, стимуляции дифференцировки и регуляции адаптивных функций – памяти. Несомненно, дальнейшие исследования функционирования лактата необходимы для лучшего понимания всесторонности молекулярных механизмов физиологии мозга.

Список литературы

1. Энциклопедия клинических лабораторных тестов / Под ред. К.У. Тица. – М: Лабинформ, 1997. – 944 с.

2. L. B. Gladden «Lactate metabolism: a new paradigm for the third millennium» The Journal of Physiology 2004 Jul 1;558(Pt 1):5-30.

3. McIlwaine, H. (1953). Substances supporting respiration and metabolic response to electrical impulses in human brain tissue. J. Neurol. Neurosurg. Psychiatry 16, 257-266.

4. Gallagher, C.N., Carpenter, C.L., Grice, P., Howe, D.J., Mason, A., Timofeev, I., Me-non, D.K., Kirkpatrick, P.J., Picard, J.D., Sutherland, G.R., and Hutchinson, P.J. (2009). The human brain uses lactate through the tricarboxylic acid cycle: 13C-labeled microdialysis and high-resolution nuclear magnetic resonance. Brain 132, 2839-2849.

5. Brooks G.A. Lactate: the end product of glycolysis. In: Gilles R., editor. Comparative physiology and biochemistry: current topics and directions. Vol. A. Respiration-metabolism, circulation. Berlin: Springer-Verlag; 1985. pp. 208-18.

6. Liu L., McKenzie K.R., Putluri N., Maletich-Savatic M., Bellen H.J. Glia-neuron lactate transport and elevated AFC levels contribute to lipid synthesis in neurons and lipid droplet accumulation in glia via APOE/D. Cell Metab 2017; 26: 719-37.

7. Mazzeo R.S., Brooks G.A., Scholler D.A., Budinger T.F. Utilization of [1-13C] lactate in humans during rest and exercise. J Appl Physiol (1985) 1986; 60: 232-41

8. Pellerin L, Pellegri G, Bittar PG, Charnay Y, Bouras C, Martin JL, et al. Evidence supporting the existence of lactate shuttle activity-dependent astrocyte neurons. Dev Neurosci 1998; 20: 291-9.

9. Sun S, Li H, Chen J, Qian Q. Lactic acid: no longer an inert and end product of glycolysis. Physiology (Bethesda) 2017; 32: 453-63.

10. Smith, D., Pernet, A., Hallett, W.A., Bingham, E., Marsden, P.K., and Amiel, S.A. (2003). Lactate: a preferred fuel for human brain metabolism in vivo. J. Ce-reb. Blood Flow Metab.23, 658-664.

11. Halestrap A.P., Price N.T. The proton-linked monocarboxylate transporter (MCT) family: structure, function and regulation //Biochem. J. 1999. Vol. 343, Pt 2. P. 281–299.

12. Pellerin L. et al. Expression of monocarboxylate transporter mRNAs in mouse brain: support for a distinct role of lactate as an energy substrate for the neonatal vs. adult brain. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1998; 95: 3990-3995

13. Hertz, L., Xu, J., Song, D., Du, T., Yan, E., and Peng, L. Brain glycogenolysis,adrenoceptors, pyruvate carboxylase, Na(+),K(+)-ATPase and Marie E. Gibbs' pioneering learning studies. Front. Integr. Neurosci.. 2013
14. Mosienko, V., Teschemacher, A. G., and Kasparov, S. Is L-lactate a novel signaling molecule in the brain? J. Cereb. Blood Flow Metab. (2015). 35, 1069–1075.
15. Koizumi, S., Fujishita, K., Tsuda, M., Shigemoto-Mogami, Y. & Inoue, K. Dynamic inhibition of excitatory synaptic transmission by astrocyte-derived ATP in hippocampal cultures. Proc. Natl Acad. Sci. USA 100, 11023–11028 (2003).
16. Parpura, V. & Haydon, P. G. Physiological astrocytic calcium levels stimulate glutamate release to modulate adjacent neurons. Proc. Natl Acad. Sci. USA 97, 8629–8634 (2000).
17. Bouzier-Sore, A. K., Voisin, P., Canioni, P., Magistretti, P. J. & Pellerin, L. Lactate is a preferential oxidative energy substrate over glucose for neurons in culture. J. Cereb. Blood Flow Metab. 23, 1298–1306 (2003).
18. Vardjan, N., and Zorec, R. (2015). Excitable astrocytes: ca(2+)- and cAMPregulated exocytosis. Neurochem. Res. 40, 2414–2424.
19. Barros, L. F. Metabolic signaling by lactate in the brain. Trends Neurosci. 36, 396–404 (2013).

20. Hertz, L., Xu, J., Song, D., Du, T., Li, B., Yan, E., et al. (2015). Astrocytic glycogenolysis: mechanisms and functions. Metab. Brain Dis
21. Ruminot, I., Gutiérrez, R., Peña-Münzenmayer, G., Añazco, C., Sotelo-Hitschfeld, T., Lerchundi, R., et al. (2011). NBCe1 mediates the acute stimulation of astrocytic glycolysis by extracellular K+. J. Neurosci. 31, 14264–14271
22. Almeida, A., Moncada, S., and Bolaños, J. P. (2004). Nitric oxide switches on glycolysis through the AMP protein kinase and 6-phosphofructo-2-kinase pathway. Nat. Cell Biol. 6, 45–51