大腦是一個高度脂質化的器官，脂肪酸﹙fatty acid﹚是構成脂質的主要成份，而粒線體是細胞進行脂肪酸 β-氧化﹙fatty acid β-oxidation﹚[註1]、三羧酸循環﹙亦稱檸檬酸循環，tricarboxylic acid cycle，TCA cycle﹚和氧化磷酸化﹙oxidative phosphorylation，OxPhos﹚的胞器。星狀膠細胞﹙Astroctyes﹚為中樞神經系統中含量最多的膠細胞，其功能以協助神經細胞的發育與突觸傳遞為主。星狀膠細胞主要透過糖解作用﹙glycolysis﹚產生的乳酸﹙lactate﹚來滿足能量需求。雖然星狀膠細胞粒線體的電子傳遞鏈﹙electron transport chain﹚效率與 OxPhos 能力不及神經元粒線體來的活躍 [1]，但星狀膠細胞仍表達了參與 TCA cycle 中所有酵素，並維持適度的 OxPhos 活性 [2]。更重要的是，星狀膠細胞粒線體富含脂肪酸氧化酶，此項特徵是區分星狀膠細胞與神經元線粒體的關鍵 [3] ，因此暗示著星狀膠細胞粒線體在脂肪酸代謝中扮演獨特的角色。
阿茲海默症﹙Alzheimer’s disease，AD﹚是一種常見的神經退化性疾病，是老人失智最常見的病因。隨著神經細胞的退化，患者會逐漸失去記憶和精神難集中、語言能力減弱、個性改變和學習能力減退等情況。臨床研究發現， AD 病程早期可觀察到脂質失恆的現象，如脂滴﹙lipid droplet﹚堆積。美國亞利桑那大學 Fei Yin 教授團隊先前的研究指出，偶發性 AD 的危險基因–載脂蛋白ε4等位基因（APOE-ε4），可誘導星狀膠細胞代謝轉變，進而減少脂肪酸的代謝 [4]，此項發現暗示了星狀膠細胞的脂肪酸代謝可能在脂滴堆積的啟動中扮演了重要角色，並可能促進了 AD 的病程發展。
延伸閱讀ￜ浴血圍城的秘密：APOE4導致血腦屏障受損及認知功能異常
為了研究星狀細胞 OxPhos 缺陷和神經退化之間的相關性，Fei Yin 教授團隊首先將小鼠內調控粒線體DNA的轉錄因子-Tfam（transcription factor A, mitochondrial）踢除，使小鼠產生星狀膠細胞氧化磷酸化缺陷。作者發現星狀膠細胞 OxPhos 缺陷小鼠（Tfam AKO）在 6 個月大時便出現了嚴重的認知障礙，但腦重量沒有改變。與對照組小鼠相比，牠們在識別記憶和探索行為方面表現出缺陷（圖一A和圖B）。這現象表示，星狀膠細胞中的粒線體 OxPhos 是大腦執行多項功能所需機制，其缺失將導致記憶和突觸傳遞受損。
圖一、星狀膠細胞粒線體 OxPhos 缺陷小鼠展現類似 AD 的行為特性。A：使用新物件辨識測驗（novel objective recognition test）評估小鼠的記憶功能，星狀膠細胞粒線體 OxPhos 缺陷小鼠（AKO）表現記憶受損的現象；B：使用開闊場測試（open field test）評估小鼠的探索行為，左圖為正常小鼠與 AKO 小鼠的行走軌跡，正常小鼠會花許多時間探索箱內空間 ，包含無任何遮蔽物的中心區域，然而 AKO 小鼠探索行為表現缺陷，即在中心區域停留時間減少，大部分的時間待在牆角等相對封閉的區域之行為。圖片來源：https://doi.org/10.1038/s42255-023-00756-4
作者接著藉由脂質體分析（lipidomic profiling）證明星狀膠細胞 OxPhos 缺陷破壞了大腦的脂質恆定，AKO小鼠出現脂肪酸堆積，此現象導致脂滴堆積於星狀膠細胞（圖二A-D）與反應性星狀膠細胞增生（reactive astrogliosis）的現象（圖二E-F）。
圖二、星狀膠細胞粒線體 OxPhos 缺陷導致大腦脂滴堆積與反應性星狀膠細胞增生。A-E：正常小鼠與星狀膠細胞粒線體 OxPhos 缺陷小鼠的大腦皮質與海馬迴表現脂滴標記（LD）、脂滴表面標記 （perilinpin-2，Plin2 )、星狀膠細胞標記（GFAP）。圖片來源：https://doi.org/10.1038/s42255-023-00756-4
作者進一步探討星狀膠細胞 OxPhos 缺陷如何影響神經細胞，將 AKO 小鼠分離出來的星狀膠細胞與神經元共同培養後，神經元長出的神經突（neurite）長度相對較短（圖三A），且自 AKO 小鼠所分離出的神經元中與脂肪酸運輸及 β-氧化相關的基因轉錄顯著上調（圖三B），在與 AKO 星狀膠細胞共同培養的神經元也呈現相同基因轉錄特性（圖三C）以及氧化壓力上升的現象（圖三D），這些結果顯示，星狀膠細胞 OxPhos 缺陷抑制了神經突的生長，且驅動神經元的脂肪酸氧化作用並增加氧化壓力。
圖三、星狀膠細胞粒線體 OxPhos 缺陷對神經元之神經突生長與代謝的影響。A：初代神經元與正常小鼠之星狀膠細胞或粒線體 OxPhos 缺陷的星狀膠細胞共同培養後，以神經元專一性細胞骨架蛋白標記（microtubule-associated protein 2 ，MAP-2）測量神經突長度。B：正常小鼠和星狀膠細胞粒線體 OxPhos 缺陷小鼠的神經細胞中，與脂肪酸運輸或氧化相關的基因轉錄情形。初代神經元與正常小鼠之星狀膠細胞或粒線體 OxPhos 缺陷的星狀膠細胞共同培養後，與脂肪酸運輸或氧化相關的基因轉錄表現情形(C)與氧化壓力(D)。圖片來源：https://doi.org/10.1038/s42255-023-00756-4
神經發炎和微膠細胞活化也是阿茲海默症的共同特徵之一。作者發現 AKO 小鼠中，與微膠細胞活化及免疫反應相關的基因上表現量上升（圖四A），海馬迴和皮質中的表現IBA-1（微膠細胞專一性標記）的細胞表現顯著增加（圖四B-C），促發炎因子 TNF-α 和 IL-1β 表現量上升（圖四D），此結果顯示 OxPhos 缺陷的星狀膠細胞可以活化微膠細胞，並誘發神經發炎反應。
大腦的白質是由髓鞘包覆的神經軸突所組成的區域，此區富含脂質（高達乾重的 80%）。因此，具有髓鞘的軸突束特別容易受到脂質代謝紊亂的影響。髓鞘的存在與否將影響動作電位的傳遞速度，而白質缺損和去髓鞘化是阿茲海默症患者的主要特徵之一 [5]。於是作者研究Tfam 踢除對大腦中的脂質恆定與髓鞘完整性的影響。結果顯示，AKO 小鼠與正常小鼠的大腦相比，白質束的密度和厚度顯著降低，受影響最嚴重的胼胝體纖維束面積減少約 40%（圖四E），髓磷脂鹼性蛋白（myelin basic protein，MBP）的表現量也下降，進一步支持了 AKO 小鼠大腦中的去髓鞘化現象（圖四F）。這些結果顯示 AKO 小鼠出現類似臨床 AD 病理特徵，如神經發炎與去髓鞘化。
圖四、星狀膠細胞粒線體 OxPhos 缺陷對微膠細胞與神經軸突髓鞘化的影響。正常小鼠與星狀膠細胞粒線體 OxPhos 缺陷小鼠的基因差異化表現分析（A）、海馬迴與大腦皮質的微膠細胞數量（B-C）、促發炎因子的表現量（D）與髓鞘的表現（E-F）。圖片來源：https://doi.org/10.1038/s42255-023-00756-4
綜合而言，當脂肪酸堆積超過星狀膠細胞 OxPhos 的能力時，星狀膠細胞反應性會刺激神經元進行脂肪酸氧化。因此當星狀膠細胞的脂肪酸降解發生缺陷時，會引發脂滴累積、反應性星狀細胞增生與神經發炎反應，進一步活化微膠細胞，同時，神經元的髓鞘生成所需的脂質合成也會受抑制，最終導致突觸傳遞障礙。
此篇研究對於研究阿茲海默症的初期病理特徵以一個非常獨特的角度切入。脂質代謝可能為 AD 病程中的中心機制，星狀膠細胞脂肪酸氧化和 OxPhos 可能作為與脂質代謝異常相關的神經退化性疾病的治療，而維持或恢復脂肪酸負荷和粒線體分解代謝能力間平衡的策略，將有望遏止有害的反應性星狀膠細胞增生。期待未來有更多研究可以揭露阿茲海默症的成因。
[註1] 脂肪酸在一系列酶的作用下，於長碳鏈的 α 碳原子和 β 碳原子之間斷裂，生成乙醯輔酶A﹙acetyl-CoA﹚的氧化作用。
Main Article:
Mi, Y., Qi, G., Vitali, F., Shang, Y., Raikes, A. C., Wang, T., Jin, Y., Brinton, R. D., Gu, H., & Yin, F. (2023). Loss of fatty acid degradation by astrocytic mitochondria triggers neuroinflammation and neurodegeneration. Nature metabolism, 5(3), 445–465. https://doi.org/10.1038/s42255-023-00756-4
參考文獻：
[1] Wong-Riley M. T. (1989). Cytochrome oxidase: an endogenous metabolic marker for neuronal activity. Trends in neurosciences, 12(3), 94–101. https://doi.org/10.1016/0166-2236(89)90165-3
[2] Lopez-Fabuel, I., Le Douce, J., Logan, A., James, A. M., Bonvento, G., Murphy, M. P., Almeida, A., & Bolaños, J. P. (2016). Complex I assembly into supercomplexes determines differential mitochondrial ROS production in neurons and astrocytes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 113(46), 13063–13068. https://doi.org/10.1073/pnas.1613701113
[3] Fecher, C., Trovò, L., Müller, S. A., Snaidero, N., Wettmarshausen, J., Heink, S., Ortiz, O., Wagner, I., Kühn, R., Hartmann, J., Karl, R. M., Konnerth, A., Korn, T., Wurst, W., Merkler, D., Lichtenthaler, S. F., Perocchi, F., & Misgeld, T. (2019). Cell-type-specific profiling of brain mitochondria reveals functional and molecular diversity. Nature neuroscience, 22(10), 1731–1742. https://doi.org/10.1038/s41593-019-0479-z
[4 ]Qi, G., Mi, Y., Shi, X., Gu, H., Brinton, R. D., & Yin, F. (2021). ApoE4 Impairs Neuron-Astrocyte Coupling of Fatty Acid Metabolism. Cell reports, 34(1), 108572. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2020.108572
[5] Taylor, N. W., Kambeitz-Ilankovic, L., Gesierich, B., Simon-Vermot, L., Franzmeier, N., Araque Caballero, M. Á., Müller, S., Hesheng, L., Ertl-Wagner, B., Bürger, K., Weiner, M. W., Dichgans, M., Duering, M., & Ewers, M. (2017). Tract-specific white matter hyperintensities disrupt neural network function in Alzheimer’s disease. Alzheimer’s & Dementia, 13(3), 225-235. https://doi.org/10.1016/j.jalz.2016.06.2358
撰文｜陳宜萱
審稿｜劉姿婷
