Ludzki mózg jest bardzo łakomy na słodycze, spalając codziennie prawie jedną czwartą energii z cukru w organizmie, czyli glukozy. Teraz badacze z Gladstone Institutes i UC San Francisco (UCSF) rzucili nowe światło na to, jak dokładnie neurony - komórki wysyłające sygnały elektryczne w mózgu - zużywają i metabolizują glukozę oraz jak te komórki dostosowują się do jej niedoborów. Wcześniej naukowcy podejrzewali, że duża część glukozy wykorzystywanej przez mózg była metabolizowana przez inne komórki mózgu zwane glia, które wspierają aktywność neuronów. "Wiedzieliśmy już, że mózg wymaga dużej ilości glukozy, ale nie było jasne, w jakim stopniu same neurony polegają na glukozie i jakich metod używają do rozkładu cukru" - mówi dr Ken Nakamura, badacz stowarzyszony w Gladstone i starszy autor nowego badania opublikowanego w czasopiśmie Cell Reports. "Teraz mamy znacznie lepsze zrozumienie podstawowego paliwa, które sprawia, że neurony działają". Poprzednie badania ustaliły, że wychwyt glukozy przez mózg jest zmniejszony we wczesnych stadiach chorób neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera i Parkinsona. Nowe odkrycia mogą doprowadzić do odkrycia nowych metod terapeutycznych dla tych chorób i przyczynić się do lepszego zrozumienia, jak utrzymać mózg w zdrowiu w miarę starzenia się. Wiele pokarmów, które spożywamy, rozkłada się na glukozę, która jest przechowywana w wątrobie i mięśniach, transportowana po całym organizmie i metabolizowana przez komórki, aby zasilić reakcje chemiczne, które utrzymują nas przy życiu. Naukowcy długo debatowali nad tym, co dzieje się z glukozą w mózgu, a wielu z nich sugerowało, że same neurony nie metabolizują cukru. Zamiast tego proponowali, że komórki glejowe konsumują większość glukozy, a następnie zasilają neurony pośrednio, przekazując im produkt metaboliczny glukozy zwany mleczanem. Jednak dowody na poparcie tej teorii były skąpe; częściowo dlatego, że naukowcom trudno jest stworzyć w laboratorium kultury neuronów, które nie zawierałyby również komórek glejowych. Grupa Nakamury rozwiązała ten problem, wykorzystując indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (komórki iPS) do wygenerowania czystych ludzkich neuronów. Technologia komórek IPS pozwala naukowcom przekształcić dorosłe komórki pobrane z próbek krwi lub skóry w dowolny typ komórek w organizmie. Następnie badacze zmieszali neurony ze znakowaną formą glukozy, którą mogli śledzić nawet w trakcie jej rozkładu. Eksperyment ten ujawnił, że neurony są w stanie pobierać glukozę i przetwarzać ją na mniejsze metabolity. Aby dokładnie określić, w jaki sposób neurony wykorzystywały produkty metabolizmu glukozy, zespół usunął z komórek dwa krytyczne białka za pomocą edycji genów CRISPR. Jedno z białek umożliwia neuronom import glukozy, a drugie jest wymagane do glikolizy, głównego szlaku, za pomocą którego komórki typowo metabolizują glukozę. Usunięcie któregokolwiek z tych białek zatrzymało rozkład glukozy w wyizolowanych ludzkich neuronach. Grupa Nakamury następnie zwróciła się do myszy, aby zbadać znaczenie neuronalnego metabolizmu glukozy u żywych zwierząt. Wyhodowali neurony zwierząt - ale nie inne typy komórek mózgu - tak, by brakowało w nich białek wymaganych do importu glukozy i glikolizy. W rezultacie, w miarę starzenia się, u myszy pojawiły się poważne problemy z uczeniem się i pamięcią. Sugeruje to, że neurony są nie tylko zdolne do metabolizowania glukozy, ale także polegają na glikolizie dla normalnego funkcjonowania, wyjaśnia Nakamura. Doktor Myriam M. Chaumeil, profesor nadzwyczajny UCSF i współautorka nowej pracy, rozwija specjalistyczne metody neuroobrazowania oparte na nowej technologii zwanej hiperpolaryzowanym węglem-13, która ujawnia poziomy pewnych produktów molekularnych. Obrazowanie jej grupy pokazało, jak zmienił się metabolizm mózgów myszy, gdy glikoliza została zablokowana w neuronach. Wyniki obrazowania pomogły udowodnić, że neurony metabolizują glukozę poprzez glikolizę u żywych zwierząt. Pokazały również potencjał podejścia Chaumeila do badania zmian metabolizmu glukozy u ludzi cierpiących na choroby takie jak Alzheimer czy Parkinson. Wreszcie Nakamura i jego współpracownicy zbadali, w jaki sposób neurony dostosowują się do sytuacji, w której nie są w stanie uzyskać energii poprzez glikolizę - co może mieć miejsce w przypadku niektórych chorób mózgu. Okazało się, że neurony wykorzystują inne źródła energii, takie jak powiązana cząsteczka cukru - galaktoza. Badacze odkryli jednak, że galaktoza nie była tak wydajnym źródłem energii jak glukoza i że nie mogła w pełni zrekompensować utraty metabolizmu glukozy. Jego laboratorium planuje przyszłe badania nad tym, jak metabolizm glukozy w neuronach zmienia się w chorobach neurodegeneracyjnych we współpracy z zespołem Chaumeila oraz jak terapie oparte na energii mogą być ukierunkowane na mózg, aby zwiększyć funkcjonowanie neuronów. Gladstone Institutes to niezależna, niedochodowa organizacja badawcza zajmująca się naukami przyrodniczymi, która wykorzystuje wizjonerską naukę i technologię do pokonywania chorób. Założona w 1979 roku, znajduje się w epicentrum innowacji biomedycznych i technologicznych w dzielnicy Mission Bay w San Francisco. Gladstone stworzyła model badawczy, który zakłóca sposób prowadzenia badań, finansuje wielkie idee i przyciąga najzdolniejsze umysły.