乳酸及乳酸受体在糖尿病认知障碍中的作用和机制研究

Diabetic mellitus can lead to dysfunction in central nervous system, such as learning and memory impairment, which seriously affect live equality of patients. Nowadays, the pathogenesis of this disease remains unclear. Effective intervention and treatments are also absent. Firstly we investigated metabolic network and pathways in brains from diabetes associated cognitive decline rats by NMR-based metabonomics. We found glycolysis was one of main metabolic pathways related to the pathogenesis of diabetes associated cognitive decline. The levels of lactate were consistent with degrees of learning and memory impairment. Clinical studies have also shown that there is a significant negative correlation between cognition ability and the levels of lactate in cerebrospinal fluid from patients. Therefore, in the study we will further explore the casual relationship between elevated lactate and learning and memory impairment, by means of molecular biology, long-term potentiation and behavior experiments. We will also explore whether lactate is involved in the impairment of learning and memory through the lactate receptor and cAMP-PKA-CREB signal transduction. This research pattern of the project, with the feature for the early discovery of key metabolites, following with function research of key protein, may contribute to systemically understanding the pathogenesis of the disease, also find new drug targets or interventions.

糖尿病能导致中枢神经系统功能的多种障碍，如学习记忆损伤，因而严重地影响患者的生活质量。但是至今人们对该病的发病机理仍不清楚，更缺乏有效的干预手段。前期工作中，我们通过代谢组学技术对糖尿病学习记忆损伤的动物模型的特征分析，已经确认乳酸在不同糖尿病动物的海马中呈时间依赖性升高趋势，且与学习记忆损伤的程度一致。临床研究也证实了患者认知水平和脑脊液中乳酸含量呈明显负相关。据此，本课题将进一步探讨乳酸升高是否是导致糖尿病学习记忆损伤的关键分子。通过分子生物学、电生理和行为学等多种手段判断乳酸与学习记忆损伤的因果联系，以及乳酸是否通过乳酸受体及cAMP-PKA-CREB途径发挥病理生理作用。通过以上科研问题地探讨，深入理解乳酸在糖尿病学习记忆损伤中的作用和功能。这种以特征代谢物为前期发现，关键蛋白为后续靶标研究的功能代谢组学思路，可能有助于系统性地理解疾病的发病机理，也可能找到新的药物靶点或干预措施。

L−乳酸最初被认为在人体内毫无作用，一种只能引起肌肉酸痛的代谢副产物。甚至在重症或败血症等危重病情况下，通常将血乳酸升高作为判断病情危急的依据。随后发现乳酸可充当能量底物被外周组织和大脑利用。特别是在神经系统中，由星形胶质细胞响应神经元活化而释放的乳酸能被神经元吸收，氧化成丙酮酸并用于合成乙酰CoA用于三羧酸循环。而最近随着乳酸受体的发现，又揭示了乳酸除了代谢功能外，还可作为细胞内信号分子，甚至在学习和记忆中也起着不可或缺的作用。.糖尿病相关认知障碍（DACD）是一种糖尿病神经系统并发症，其特征表现为认知功能和神经系统结构的改变。从高血糖到DACD的病原性转变是一个长期过程，伴有多种代谢紊乱。探索海马随时间变化的代谢变化将有助于我们了解DACD的发病机理。在本项研究中，我们发现GPR81主要定位在脑内神经元上，而胶质细胞上定位较少，另外GPR81在海马，小脑和中脑中表达丰富。通过对糖尿病脑组织乳酸受体GPR81进行免疫荧光定量，结果显示DACD发生伴随脑内GPR81表达增加。我们进一步证明DACD发生后期GPR81受体下游蛋白PKA和pCREB表达下降，糖尿病初期则无明显变化；对应突触可塑性基因BDNF，C−Fos，Arc，Egr1和突触后标记基因PSD−93和PSD−95在DACD后期均显著下降。通过侧脑立体射乳酸脱氢酶抑制剂消除DACD发生过程脑中乳酸的积累，动物记忆功能在行为学和分子水平得到改善。我们的研究表明，糖尿病发生过程中脑内代谢物发生明显紊乱，其中连续升高的乳酸可能是DACD发生的关键因子。.综上所述，本项研究证明长期乳酸作用下调突触可塑性基因表达，从而损伤学习记忆。进一步研究发现乳酸通过GPR81介导的cAMP/PKA/CREB途径发挥抑制神经细胞突触可塑性基因表达的作用。此外，本项研究探讨了糖尿病发生过程中海马组织代谢物紊乱状态，并确定乳酸可能是DACD发生的关键分子。以上研究结果为理解乳酸作为脑内信号分子抑制作用及记忆损伤过程中的作用提供了新的思路，为糖尿病中枢神经系统并发症的治疗提供了新的药物靶标。