聚焦代谢，安捷伦 Seahorse 在病毒免疫研究中的应用
自新冠病毒爆发以来，治疗新型肺炎的药物和疫苗的研发进展备受瞩目。近期，连续传来好消息：浙江海正药业股份有限公司研制的“法维拉韦”（原名“法匹拉韦”）正式获得国家药监局批准上市、美国吉列德的“瑞德西韦”目前正在武汉金银潭医院等 11 家医院开展多中心临床试验验证、康复者的血浆抗体被用于治疗。在新药研发过程中，非常关键的一环就是评估药物引起的免疫反应，这将决定药物能否上市，能否用来治疗新型肺炎患者。
免疫是人体的一种重要的生理功能，人体依靠这种功能识别“自己”和“非己”成分，从而破坏和排斥进入人体的危险物质，如抗原、病原体（如病毒、细菌）和炎症刺激。人体免疫系统是人抵御外来感染的防线，而淋巴细胞就是这道防线的哨兵。淋巴细胞包括 B 淋巴细胞和T淋巴细胞。B 淋巴细胞亦称 B 细胞，主要功能是产生抗体，介导体液免疫应答；T 淋巴细胞亦称 T 细胞，发挥细胞免疫及免疫调节等功能。这两种淋巴细胞分工明确，共同杀伤和清除入侵体内的病原体。
代谢是细胞合成和分解营养物质的过程，是所有活细胞维持生存、增殖和行使功能的必须生理过程。近些年来，代谢在免疫系统中的作用被越来越多的研究者发现。代谢被视为调控免疫细胞功能与分化的主要因子。在 T 细胞分化过程中，初始 T 细胞、效应 T 细胞和记忆 T 细胞对于能量的需求各异，因此这三种 T 细胞依赖氧化磷酸化和糖酵解的能力各不相同。由此可见，代谢对于免疫系统的功能至关重要。Seahorse 技术作为检测能量代谢的金标准，在病原体感染与免疫方向有着非常广泛的应用，为科学家提供强有力的武器来研究病毒与免疫系统的攻防。
1、 巴尔病毒（EBV）诱导 B 细胞进行单碳代谢，驱动 B 细胞转化
EBV 可以导致多种 B 细胞淋巴瘤。人们对 EBV 感染 B 细胞后，B 细胞如何快速增殖的机制知之甚少。剑桥大学和哈佛医学院的科学家们 2019 年在 Cell Metabolism 上发表的文章为大家揭开了这个谜题[1]。他们的研究发现，EBV 会重塑 B 细胞的代谢通路，诱导 B 细胞进行单碳叶酸代谢，从而促进 B 细胞获得营养，快速增殖。EBV 上调 B 细胞对外源丝氨酸的摄入，目的是为了支持线粒体的单碳代谢（图 1 ）。他们的工作为开发新的线粒体单碳代谢抑制剂来治疗 EBV 的感染的 B 淋巴瘤提供了理论基础。
图 1. Seahorse 的结果表明，丝氨酸的缺失会降低新感染细胞的呼吸作用。（E）EBV 感染 4 天的原代 B 细胞在含有丝氨酸和缺乏丝氨酸的培养基中生长，测量氧气消耗速率（OCR）。（F）根据图E的结果计算得到的代谢参数。
2、 调控 CD8 阳性 T 细胞的代谢可以对抗流感病毒感染
CD8 阳性 T 细胞在不同的分化阶段，由初始细胞向效应和记忆细胞转换的过程中，线粒体的呼吸是被精密调控的。代谢状态的改变可以满足不同种类 CD8 阳性 T 细胞对能量的需求，有利于它们进行增殖。美国佛蒙特大学的 Champagne 等研究者于 2016 年在 Immunity 上发表成果，揭示 MCJ 蛋白是 CD8 阳性 T 细胞线粒体呼吸的负调控因子（图 2）[2]。MCJ 缺陷的记忆 CD8 阳性 T 细胞对流感病毒的感染具有更强的保护能力。T 细胞代谢与流感病毒感染之间的关系由此可见一斑。此研究揭示 MCJ 可以作为一个治疗靶点来增加 CD8 阳性 T 细胞的反应。
图 2. MCJ 缺陷的效应 CD8 阳性 T 细胞氧化磷酸化升高。野生型和 MCJ 缺陷的 CD8 阳性 T 细胞经 CD3 和 CD28 抗体激活 2 天。（A）细胞在无刺激培养基中静置 4 小时后 ATP 的浓度。（B）Seahorse 线粒体压力试验测量静置 12 小时的细胞的 OCR。（C）Seahorse 糖酵解压力试验测量细胞的 ECAR。
3、 艾滋病病毒（HIV）感染和抗逆转录病毒疗法对免疫细胞功能的影响
大家对 HIV 应该很熟悉了。HIV 是一种逆转录病毒，它能够攻击人体免疫系统，在慢性 HIV 感染中，免疫细胞会变得越来越不正常，最终衰竭。2019 年发表在 JCI Insight 上的一篇文章探讨了 HIV 感染以及相应的抗转录病毒疗法对免疫细胞代谢的影响[3]。德国杜伊斯堡大学 Korencak 等人的研究结果表明，在 HIV 感染时，大多数免疫细胞的呼吸作用都会大幅降低，而这种代谢的变化与慢性免疫激活和衰竭是联系在一起的。当用抗逆转录病毒疗法治疗 HIV 感染的患者时，除了 CD4 阳性 T 细胞以外，其他类型的免疫细胞的呼吸作用可以得到恢复（图 3 ）。这一最新的研究成果为评估抗病毒药物对于人体免疫功能的副作用提供了一个很好的方法。
图 3. 与 HIV 阴性的患者相比，HIV 阳性、未治疗的患者和抗逆转录病毒疗法治疗的患者显示基础呼吸和最大呼吸降低。（A）Seahorse 线粒体压力测试比较 HIV 阳性、未治疗和治疗患者，以及健康人的 CD4 阳性 T 细胞的基础和最大线粒体呼吸。（B）Seahorse 糖酵解压力测试结果表明，CD4 阳性 T 细胞的糖酵解能力在三组患者中没有显著性差异。
免疫代谢是一个快速增长的研究领域。代谢与免疫细胞的功能息息相关，为研究免疫生物学提供了新的策略。安捷伦 Seahorse 在免疫学研究中的应用囊括了免疫学的各个方面。
参考文献
1. Wang, L. W. et al. Epstein-Barr-Virus-Induced One-Carbon Metabolism Drives B Cell Transformation. Cell Metab30, 539-555 e511, doi:10.1016/j.cmet.2019.06.003 (2019).
2. Champagne, D. P. et al. Fine-Tuning of CD8(+) T Cell Mitochondrial Metabolism by the Respiratory Chain Repressor MCJ Dictates Protection to Influenza Virus. Immunity44, 1299-1311, doi:10.1016/j.immuni.2016.02.018 (2016).
3. Korencak, M. et al. Effect of HIV infection and antiretroviral therapy on immune cellular functions. JCI Insight4, doi:10.1172/jci.insight.126675 (2019).
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