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Cell | 重磅！磷酸戊糖途径在神经损伤修复中的双重核心作用，脊髓损伤修复迎来全新治疗靶点
94 人阅读发布时间：2026-04-28 10:57
神经系统的稳态维持与损伤修复，一直是神经科学领域的核心科学问题与临床难题。成年哺乳动物的周围神经系统（PNS）损伤后，轴突可自发实现再生与功能修复；但中枢神经系统（CNS），尤其是脊髓损伤（SCI）后，轴突再生能力极度受限，会导致患者出现感觉、运动功能障碍，目前临床上仍无有效的根治手段。尽管学界已对调控轴突再生的转录调控、信号转导通路开展了数十年的深入研究，但决定PNS与CNS再生能力巨大差异的核心代谢机制，长期以来尚未被完全阐明。
2026年2月19日，帝国理工学院Simone Di Giovanni团队在国际期刊Cell在线发表了题为A glycolytic shunt via the pentose phosphate pathway is a metabolic checkpoint for nervous system sensory homeostasis and axonal regeneration的研究论文。该研究首次揭示了磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway, PPP）在周围神经感觉生理稳态维持与损伤后轴突再生中的双重关键作用。研究发现，脊髓损伤后PPP通路的转录与代谢沉默，是脊髓损伤（SCI）后轴突再生失败的重要原因，通过AAV载体在神经元中高表达转酮醇酶（TKT）或口服D-核糖（D-ribose）可成功重激活PPP通路，显著促进了SCI后的感觉与运动轴突再生及功能恢复，为中枢神经系统损伤修复提供了全新的代谢靶点与极具临床转化潜力的治疗策略。
·研究结果·
1、PPP通路在外周轴突中特异性富集
背根神经节（DRG）神经元是解析PNS与CNS再生能力差异的经典模型：其假单极轴突分为两支，向外周投射的分支（PNSp）损伤后可高效再生，而向中枢投射的分支（CNSp）在脊髓损伤后几乎无法再生。研究团队首先对未损伤状态下的PNSp与CNSp轴突轴浆进行组学分析，结果发现两者存在显著的代谢特征差异： CNSp轴突优先表达三羧酸（TCA）循环相关蛋白，而具备再生能力的PNSp轴突中，PPP通路的核心酶（包括PGD、TKT、PGLS、TALDO1）与代谢产物均出现了极显著的富集。免疫荧光染色与质谱成像进一步验证，PPP通路的富集是轴突特异性的，而非周围神经胶质细胞导致，这些数据表明，PPP通路是一种在具有再生能力的外周轴突中选择性富集的代谢途径（图1）。
图1 PPP在坐骨神经的外周投射轴浆中富集
2、PPP通过维持氧化还原稳态支持机械感觉功能
周围轴突持续暴露于环境机械刺激，易产生氧化应激。研究发现，PNSp轴突的活性氧（ROS）水平高于CNSp轴突，且PPP衍生的NADPH可再生还原型谷胱甘肽（GSH），形成氧化还原缓冲系统。机械刺激（如轻刷后爪）可激活PNSp轴突的PPP，升高NADPH/NADP⁺比值和GSH水平，抑制过量ROS积累（图2A-Q）。
随后，作者通过药物抑制PPP关键酶G6PD，或借助AAV-Cre条件性敲除感觉神经元中的PPP核心酶TKT，均会直接导致小鼠出现机械性痛觉超敏，同时伴随PNSp轴突中ROS水平显著升高、NADPH与GSH水平下降；而补充GSH可完全逆转这一痛觉异常表型（图2R-W）。提示了PPP通过NADPH介导的抗氧化作用保障生理机械感觉。
图2 PPP通路是机械刺激后氧化还原稳态和生理机械感觉所必需的
3、周围神经损伤后PPP通路被显著激活，中枢神经损伤后该通路持续沉默
接下来，为探究PPP通路在神经损伤再生中的作用，研究团队对坐骨神经损伤（SNI）与脊髓损伤（SCI）后的DRG神经元进行了转录组与代谢组联合分析。结果显示，SNI后3天，DRG神经元中的PPP通路显著富集，尤其是负责核糖生成的非氧化支路上调最为显著，TKT作为PPP非氧化支路的核心酶，是SNI后上调幅度最高的代谢基因之一；同时，SNI后PPP通路的下游产物R5P、核苷酸三磷酸水平显著升高，RNA合成与转录活性显著增强。
与之形成鲜明对比的是，SCI后，PPP通路在转录与代谢层面均保持完全沉默，同时伴随核苷酸合成与RNA转录活性的显著下调。机制研究进一步发现，SNI后PPP通路的激活，是由损伤诱导的HIF-1α与c-Myc转录因子介导的，而这一调控在SCI后并未发生。
图3 SNI后PPP被激活，SCI后PPP沉默
4、TKT是感觉神经元生长和再生的必需因子
为进一步验证TKT在再生中的作用，作者通过功能缺失与功能获得实验，明确了PPP核心酶TKT的关键作用：体外实验中，作者借助CRISPR-Cas9技术在DRG神经元中敲除Tkt，发现神经突生长能力显著受损，反之，在培养的DRG神经元中高表达Tkt则增强了轴突生长。体内研究中，作者借助AAV-Cre在Tktflox小鼠中条件性敲除Tkt，发现SNI后的轴突再生能力出现显著障碍。
基于上述发现，研究团队通过人为激活PPP验证其在脊髓损伤治疗中的潜力。作者在不同的脊髓损伤模型小鼠的DRG和运动皮层中高表达TKT，结果显示，TKT过表达显著提升了DRG神经元的PPP通量，使原本再生失败的中枢投射感觉轴突成功跨越损伤病灶实现长距离再生（图4）。
此外，TKT高表达亦显著促进皮质脊髓束（CST）这一机体核心运动通路的轴突再生与病灶内侵袭，同时增强损伤灶头端的轴突发芽，突破了成年哺乳动物CST损伤后几乎无法再生的瓶颈。同时，通过口服补充D-核糖（R5P的前体）也能模拟这种效应，即显著提升DRG与中枢投射轴突中的PPP代谢产物水平，增强神经元的RNA合成与转录活性，同样可重激活胚胎发育相关的再生程序。这些数据提示了通过TKT过表达或核糖补充重激活PPP，实现脊髓损伤后轴突再生，机制研究发现，TKT是外周神经轴突再生的必需分子，其通过重塑葡萄糖代谢、增加核糖核苷酸生成和促进 RNA 合成，增强脊髓损伤后感觉轴突的生长。这种代谢转变重新启动了发育生长程序，使 TKT 成为损伤诱导神经元可塑性的关键驱动因素。
图4 TKT过表达通过激活发育生长程序和促进核糖核苷生成，促进脊髓损伤后的轴突生长
最后，作者验证了功能性恢复，在重度脊髓挫伤模型中，长期口服核糖小鼠的感觉轴突与皮质脊髓束的再生能力显著增强，同时伴随显著的功能恢复：小鼠的运动能力、步态协调性、机械感觉功能均出现显著改善，腰椎脊髓内运动神经元的兴奋性突触输入与下行 5 - 羟色胺能神经支配显著恢复，这支持了核糖作为一种促进轴突生长和功能恢复的潜在治疗策略。
图5 核糖治疗促进脊髓损伤后的功能恢复
·结论·
该研究借助多组学分析、基于病毒载体的特异性过表达/敲除、基因编辑和行为学等技术手段首次揭示戊糖磷酸途径作为神经系统感觉稳态和轴突再生的代谢检查点，通过“双重功能”调控生理与修复：生理状态下维持周围轴突氧化还原平衡以支持机械感觉，PNS损伤后激活非氧化分支促进核苷酸合成以驱动再生，而CNS损伤后PPP沉默是再生失败的关键原因。通过TKT过表达或口服D-核糖成功在脊髓损伤模型中重激活PPP通路，实现了感觉与运动轴突的高效再生，以及神经功能的显著恢复。这一发现不仅填补了神经再生领域代谢调控机制的关键空白，更通过两种可临床转化的策略，为脊髓损伤、神经退行性疾病等中枢神经系统疾病的治疗，提供了全新的代谢靶点与干预思路。
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