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什么是能量代謝?

代謝，是生命最基本的特征之一，機體從外界攝取營養物質，包括碳水化合物、脂肪、蛋白質、微量元素、水及維生素等，同時經過體內分解吸收將其中蘊藏的化學能釋放出來轉化為組織和細胞可以利用的能量，再通過利用這些能量來維持正常的生命活動。我們把這種代謝過程中所伴隨的能量的釋放、儲存和利用稱為能量代謝。

細胞，作為構成生命體最基本的結構和功能單位，對其功能的研究，比如細胞的增殖，分化等，可以為多個研究領域提供有價值的信息，包括癌癥、免疫功能障礙、心血管疾病、神經退行性疾病等。在過去的若干年中，涌現出大量文章及數據，說明能量代謝如何支持細胞生物學的各個方面，以及代謝的變化如何影響重要的細胞功能。

安捷倫 Seahorse XF 技術，作為目前細胞能量代謝檢測的金標準，可以在不侵入，不破壞樣本的前提下，實現實時、高通量、多樣本來源的活細胞能量代謝檢測，從而為評估細胞功能及研究代謝機制，提供了強有力的技術手段。除了細胞樣本，安捷倫 Seahorse XF 技術可以支持多種類型的樣本檢測，包括新鮮的組織切片，微生物，模式動物等等。

當下新冠狀病毒肆虐，我國針對病毒的疫苗及特效藥的研發也在爭分奪秒的進行中，安捷倫 Seahorse 技術同時可以為抗病毒藥物和疫苗的研發奠定理論基礎。我們已經在之前兩篇系列文章（具體請參見文末推薦閱讀）中介紹了安捷倫 Seahorse 助力抗病毒研究的相關內容。

為什么要研究細胞底物氧化水平?

細胞能量代謝與多種疾病息息相關，因此，許多領域的研究人員都對研究能量代謝產生了濃厚的興趣，其中了解并知道在代謝過程中滿足細胞能量需求所依賴的燃料成為了一個重要的研究方向。眾所周知，生物體所需的三大營養物質為脂肪、糖類和蛋白質，對于細胞來說，長鏈脂肪酸（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。

許多領域（例如癌癥、免疫學、干細胞生物學）的研究人員已經證明這些底物的氧化水平會對細胞命運、功能以及適應性產生深遠影響。癌癥研究人員對研究癌細胞對于底物的依賴性很感興趣，最常見的是癌細胞對于谷氨酰胺的依賴[1,2]，這種依賴性可以揭示癌細胞的弱點，從而為找到藥物靶點提供依據；免疫學研究人員則對研究誘導免疫細胞分化和激活的底物感興趣，最常見的是脂肪酸氧化[3]。

很多研究發現不僅提供了新的生物學見解，而且還揭示了干預和開發成功療法的新方法。免疫代謝研究領域領軍人物 Dr.Erika L. Pierce 的團隊發表在 Trends in Immunology 上的綜述性文章[4] 就是這樣一個例子。在本文中，他們著重討論了通過調控 T 細胞代謝（包括脂肪酸氧化）從而治療癌癥和免疫疾病的各種方法，為現在熱門的免疫治療提供了重要依據。文章提到代謝重編程對于 T 細胞激活和功能是必須的，比如抑制氨基酸的轉運，可以限制效應 T（effector T）細胞的擴增；抑制脂肪酸的合成，可以削弱 Th17 細胞的分化并且促進調節性 T 細胞（Treg）的發展；增強脂肪酸氧化可以促進調節性 T 細胞或者記憶 T 細胞（T memory）的發展。因此，調控 T 細胞的代謝是提高靶向 T 細胞功能的一種方法。

再來看一篇來自癌癥研究領域，2019 年發表在 Nature Metabolism 上的文章。美國貝勒醫學院的科學家揭示了前列腺癌，這種常見于中老年男性泌尿生殖系統癌癥類型的發生機制，其中有部分前列腺癌與雄性激素分泌紊亂有關[5]。文章中指出雄激素受體驅動的前列腺癌細胞所需的能量來源依賴于線粒體丙酮酸氧化，其中 Seahorse 數據證實了抑制負責將丙酮酸轉運到線粒體內的轉運子（MPC），可以有效抑制細胞的氧化磷酸化水平，揭示了這種癌細胞的底物利用機制，從而提示 MPC 可能是這種前列腺癌的潛在治療靶點。

如何檢測細胞底物氧化水平

前面我們已經介紹了研究細胞對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方法，可通過評估活細胞的耗氧速率（OCR）變化來測定細胞底物的氧化水平。這些快速而對樣本無侵入損傷的檢測方法使研究人員能夠研究細胞如何氧化三種主要的底物：長鏈脂肪酸，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，結合 Seahorse XF 線粒體壓力測試，可以對線粒體功能進行全面評估，在底物需求較少（即基礎呼吸）和底物需求較多（即最大呼吸）的條件下研究細胞功能，其中在底物需求較多時細胞更多地依賴特定底物（圖 1）。

該測定方法基于已被廣泛熟知并認可的 Seahorse XF 線粒體壓力測試，可提供直觀的功能性參數，非常適合研究細胞在基礎條件下以及在壓力狀態下能否升高對底物的需求，從而對細胞底物的偏好性以及依賴性進行全方面評估。使用這些試劑盒能夠更方便快速的研究活細胞中特定底物的氧化過程，從而有助于研究細胞如何轉換對于特定底物的依賴，以執行關鍵的細胞功能。

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

產品信息：

• 每個試劑盒均包含三個一次性試劑袋。每個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），FCCP 和魚藤酮/抗霉素 A（rotenone/antimycin A）混合物。每個試劑袋包含足夠的試劑，可用于一塊完整的 XF96 或 XF24 測試板。

• 為了獲得最佳實驗結果，建議使用 pH 7.4 的 Seahorse XF DMEM 或 RPMI 檢測液和 Seahorse XF 底物（葡萄糖，丙酮酸和谷氨酰胺）。

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

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