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什么是能量代謝?

代謝，是生命最基本的特征之一，機(jī)體從外界攝取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，包括碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)、微量元素、水及維生素等，同時(shí)經(jīng)過(guò)體內(nèi)分解吸收將其中蘊(yùn)藏的化學(xué)能釋放出來(lái)轉(zhuǎn)化為組織和細(xì)胞可以利用的能量，再通過(guò)利用這些能量來(lái)維持正常的生命活動(dòng)。我們把這種代謝過(guò)程中所伴隨的能量的釋放、儲(chǔ)存和利用稱為能量代謝。

細(xì)胞，作為構(gòu)成生命體最基本的結(jié)構(gòu)和功能單位，對(duì)其功能的研究，比如細(xì)胞的增殖，分化等，可以為多個(gè)研究領(lǐng)域提供有價(jià)值的信息，包括癌癥、免疫功能障礙、心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病等。在過(guò)去的若干年中，涌現(xiàn)出大量文章及數(shù)據(jù)，說(shuō)明能量代謝如何支持細(xì)胞生物學(xué)的各個(gè)方面，以及代謝的變化如何影響重要的細(xì)胞功能。

安捷倫 Seahorse XF 技術(shù)，作為目前細(xì)胞能量代謝檢測(cè)的金標(biāo)準(zhǔn)，可以在不侵入，不破壞樣本的前提下，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高通量、多樣本來(lái)源的活細(xì)胞能量代謝檢測(cè)，從而為評(píng)估細(xì)胞功能及研究代謝機(jī)制，提供了強(qiáng)有力的技術(shù)手段。除了細(xì)胞樣本，安捷倫 Seahorse XF 技術(shù)可以支持多種類型的樣本檢測(cè)，包括新鮮的組織切片，微生物，模式動(dòng)物等等。

當(dāng)下新冠狀病毒肆虐，我國(guó)針對(duì)病毒的疫苗及特效藥的研發(fā)也在爭(zhēng)分奪秒的進(jìn)行中，安捷倫 Seahorse 技術(shù)同時(shí)可以為抗病毒藥物和疫苗的研發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。我們已經(jīng)在之前兩篇系列文章（具體請(qǐng)參見(jiàn)文末推薦閱讀）中介紹了安捷倫 Seahorse 助力抗病毒研究的相關(guān)內(nèi)容。

為什么要研究細(xì)胞底物氧化水平?

細(xì)胞能量代謝與多種疾病息息相關(guān)，因此，許多領(lǐng)域的研究人員都對(duì)研究能量代謝產(chǎn)生了濃厚的興趣，其中了解并知道在代謝過(guò)程中滿足細(xì)胞能量需求所依賴的燃料成為了一個(gè)重要的研究方向。眾所周知，生物體所需的三大營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)為脂肪、糖類和蛋白質(zhì)，對(duì)于細(xì)胞來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)鏈脂肪酸（LCFA），葡萄糖（glucose）/丙酮酸（pyruvate）和谷氨酰胺（glutamine）是提供能量的三種最主要的底物。

許多領(lǐng)域（例如癌癥、免疫學(xué)、干細(xì)胞生物學(xué)）的研究人員已經(jīng)證明這些底物的氧化水平會(huì)對(duì)細(xì)胞命運(yùn)、功能以及適應(yīng)性產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。癌癥研究人員對(duì)研究癌細(xì)胞對(duì)于底物的依賴性很感興趣，最常見(jiàn)的是癌細(xì)胞對(duì)于谷氨酰胺的依賴[1,2]，這種依賴性可以揭示癌細(xì)胞的弱點(diǎn)，從而為找到藥物靶點(diǎn)提供依據(jù)；免疫學(xué)研究人員則對(duì)研究誘導(dǎo)免疫細(xì)胞分化和激活的底物感興趣，最常見(jiàn)的是脂肪酸氧化[3]。

很多研究發(fā)現(xiàn)不僅提供了新的生物學(xué)見(jiàn)解，而且還揭示了干預(yù)和開(kāi)發(fā)成功療法的新方法。免疫代謝研究領(lǐng)域領(lǐng)軍人物 Dr.Erika L. Pierce 的團(tuán)隊(duì)發(fā)表在 Trends in Immunology 上的綜述性文章[4] 就是這樣一個(gè)例子。在本文中，他們著重討論了通過(guò)調(diào)控 T 細(xì)胞代謝（包括脂肪酸氧化）從而治療癌癥和免疫疾病的各種方法，為現(xiàn)在熱門的免疫治療提供了重要依據(jù)。文章提到代謝重編程對(duì)于 T 細(xì)胞激活和功能是必須的，比如抑制氨基酸的轉(zhuǎn)運(yùn)，可以限制效應(yīng) T（effector T）細(xì)胞的擴(kuò)增；抑制脂肪酸的合成，可以削弱 Th17 細(xì)胞的分化并且促進(jìn)調(diào)節(jié)性 T 細(xì)胞（Treg）的發(fā)展；增強(qiáng)脂肪酸氧化可以促進(jìn)調(diào)節(jié)性 T 細(xì)胞或者記憶 T 細(xì)胞（T memory）的發(fā)展。因此，調(diào)控 T 細(xì)胞的代謝是提高靶向 T 細(xì)胞功能的一種方法。

再來(lái)看一篇來(lái)自癌癥研究領(lǐng)域，2019 年發(fā)表在 Nature Metabolism 上的文章。美國(guó)貝勒醫(yī)學(xué)院的科學(xué)家揭示了前列腺癌，這種常見(jiàn)于中老年男性泌尿生殖系統(tǒng)癌癥類型的發(fā)生機(jī)制，其中有部分前列腺癌與雄性激素分泌紊亂有關(guān)[5]。文章中指出雄激素受體驅(qū)動(dòng)的前列腺癌細(xì)胞所需的能量來(lái)源依賴于線粒體丙酮酸氧化，其中 Seahorse 數(shù)據(jù)證實(shí)了抑制負(fù)責(zé)將丙酮酸轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)子（MPC），可以有效抑制細(xì)胞的氧化磷酸化水平，揭示了這種癌細(xì)胞的底物利用機(jī)制，從而提示 MPC 可能是這種前列腺癌的潛在治療靶點(diǎn)。

如何檢測(cè)細(xì)胞底物氧化水平

前面我們已經(jīng)介紹了研究細(xì)胞對(duì)于底物氧化依賴的重要性，安捷倫 Seahorse 為此提供了一套完整的檢測(cè)方法，可通過(guò)評(píng)估活細(xì)胞的耗氧速率（OCR）變化來(lái)測(cè)定細(xì)胞底物的氧化水平。這些快速而對(duì)樣本無(wú)侵入損傷的檢測(cè)方法使研究人員能夠研究細(xì)胞如何氧化三種主要的底物：長(zhǎng)鏈脂肪酸，葡萄糖/丙酮酸和谷氨酰胺。利用特定底物氧化通路的抑制劑，結(jié)合 Seahorse XF 線粒體壓力測(cè)試，可以對(duì)線粒體功能進(jìn)行全面評(píng)估，在底物需求較少（即基礎(chǔ)呼吸）和底物需求較多（即最大呼吸）的條件下研究細(xì)胞功能，其中在底物需求較多時(shí)細(xì)胞更多地依賴特定底物（圖 1）。

該測(cè)定方法基于已被廣泛熟知并認(rèn)可的 Seahorse XF 線粒體壓力測(cè)試，可提供直觀的功能性參數(shù)，非常適合研究細(xì)胞在基礎(chǔ)條件下以及在壓力狀態(tài)下能否升高對(duì)底物的需求，從而對(duì)細(xì)胞底物的偏好性以及依賴性進(jìn)行全方面評(píng)估。使用這些試劑盒能夠更方便快速的研究活細(xì)胞中特定底物的氧化過(guò)程，從而有助于研究細(xì)胞如何轉(zhuǎn)換對(duì)于特定底物的依賴，以執(zhí)行關(guān)鍵的細(xì)胞功能。

圖 1. 安捷倫 Seahorse XF 底物氧化壓力測(cè)試曲線。在添加或不添加抑制劑時(shí)，連續(xù)添加化合物，測(cè)定基礎(chǔ)呼吸參數(shù)、對(duì)抑制劑（Etomoxir、UK5099 或 BPTES）的急性響應(yīng)以及最大呼吸參數(shù)。值得注意的是，雖然在基礎(chǔ)條件下可以檢測(cè)到較小的變化，即急性響應(yīng)，但在高底物需求條件下（如 FCCP 的加入），往往會(huì)出現(xiàn)更大的響應(yīng)，從而顯示出細(xì)胞氧化所研究底物的能力的差異。

產(chǎn)品信息：

• 每個(gè)試劑盒均包含三個(gè)一次性試劑袋。每個(gè)試劑袋包含各一瓶以下試劑：底物通路抑制劑（Etomoxir 或 UK5099 或 BPTES），寡霉素（oligomycin），F(xiàn)CCP 和魚藤酮/抗霉素 A（rotenone/antimycin A）混合物。每個(gè)試劑袋包含足夠的試劑，可用于一塊完整的 XF96 或 XF24 測(cè)試板。

• 為了獲得最佳實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建議使用 pH 7.4 的 Seahorse XF DMEM 或 RPMI 檢測(cè)液和 Seahorse XF 底物（葡萄糖，丙酮酸和谷氨酰胺）。

• Seahorse XF 底物氧化壓力測(cè)試與 XF/XFe96 和 XF/XFe24 分析儀兼容。

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3.   聚焦代謝，安捷倫 Seahorse 在病毒免疫研究中的應(yīng)用

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