谷氨酸毒性研究：单个神经元O₂消耗量、细胞内Ca²⁺浓度和线粒体膜电位的同时记录

图注：单个神经元细胞在Glu作用下O2消耗量、胞内Ca2+浓度和线粒体膜电位的变化过程。

神经元是可兴奋性细胞，在突触活动及产生动作电位后，神经元要产生大量的ATP驱动离子泵以提高胞内的Na⁺和Ca²⁺水平。谷氨酸（Glu）是重要的神经递质，负责快速突触传递及突触传递强度的长期变化，并参与认知和记忆等过程；但如果过度激活谷氨酸受体，谷氨酸会导致离子平衡破坏、细胞死亡等毒性反应。

本文为明确谷氨酸神经毒性的机制，将非损伤微测技术与激光共聚焦技术结合，以大鼠幼崽大脑皮层的神经元为被测样品，用非损伤微测技术（a self-referencing O₂ electrode）检测单个神经元O₂消耗量（即O₂内流），而用激光共聚焦技术检测其胞内Ca2+浓度和线粒体膜电位。

研究发现，在谷氨酸作用下，细胞内Ca²⁺浓度上升，随后O₂消耗量增加，这期间线粒体膜电位也发生相应改变。该结论直接证实了下述谷氨酸毒性机理模型：谷氨酸受体被激活后能引起Ca²⁺内流，导致细胞内ATP损耗。

将非损伤微测技术与激光共聚焦等技术相结合，检测生物样品内部和外部离子分子或其他信息的变化情况，已经成为揭示生命过程机理机制的重要手段。

关键词：非损伤微测技术(a self-referencing O₂ electrode), 氧气消耗量(oxygen consumption), 谷氨酸(glutamate);

参考文献：Gleichmann M, et al. J Neurochem, 2009,109: 644-655

PDF版及更多参考文献请点击这里

图注：野生型和os-1突变体真菌菌丝在高渗处理下的H⁺、K⁺、Cl^-、Ca²⁺离子流。负值表示离子外流，正值表示离子内流，圆形的是野生型，三角形的是os-1突变体。

真菌在生长过程中通常要维持500kPa的内部膨压，然而，真菌在生长期间不可避免地遭受渗透刺激，生物体通过调节膨压维持一个跨膜的渗透梯度来驱动细胞伸长。丝裂原活化蛋白激酶 (MAPK)是生物体内重要的信号转导系统之一，能够调节细胞的渗透压。

真菌对高渗的应激中电信号发生了快速反应，膨压恢复前(10-60min)出现短暂的去极化(1-2min)，紧接着出现持续的超极化(5-10min)。澳大利亚著名微生物学家Lew建立了一种基于非损伤微测技术的研究方法，发现短暂的去极化是由Ca²⁺内流引起，持续的超极化是由于H⁺外流引起。渗透突变体os-1的膨压比野生型低，高渗处理后没有持续的超极化，两者的离子流有显著差异，os-1的Cl^-吸收增加，K⁺流几乎不变，H⁺外流下降。

通过离子流研究，结合分子生物学实验说明MAPK能够调节离子转运，活化H⁺-ATPase以及调节K⁺和Cl^-的吸收。这项研究为人们认识细胞如何通过蛋白的作用控制离子流，最终调节细胞的膨压来适应环境中的渗透胁迫提供了证据，Ca²⁺在其中的调控作用将会得到进一步研究。