什么是能量代谢?
代谢，是生命最基本的特征之一，机体从外界摄取营养物质，包括碳水化合物、脂肪、蛋白质、微量元素、水及维生素等，同时经过体内分解吸收将其中蕴藏的化学能释放出来转化为组织和细胞可以利用的能量，再通过利用这些能量来维持正常的生命活动。我们把这种代谢过程中所伴随的能量的释放、储存和利用称为能量代谢。
氢能被称为 21 细胞，作为构成生命体最基本的结构和功能单位，对其功能的研究，比如细胞的增殖，分化等，可以为多个研究领域提供有价值的信息，包括癌症、免疫功能障碍、心血管疾病、神经退行性疾病等。在过去的若干年中，涌现出大量文章及数据，说明能量代谢如何支持细胞生物学的各个方面，以及代谢的变化如何影响重要的细胞功能。
安捷伦 Seahorse XF 技术，作为目前细胞能量代谢检测的金标准，可以在不侵入，不破坏样本的前提下，实现实时、高通量、多样本来源的活细胞能量代谢检测，从而为评估细胞功能及研究代谢机制，提供了强有力的技术手段。除了细胞样本，安捷伦 Seahorse XF 技术可以支持多种类型的样本检测，包括新鲜的组织切片，微生物，模式动物等等。
当下新冠状病毒肆虐，我国针对病毒的疫苗及特效药的研发也在争分夺秒的进行中，安捷伦 Seahorse 技术同时可以为抗病毒药物和疫苗的研发奠定理论基础。我们已经在之前两篇系列文章（具体请参见文末推荐阅读）中介绍了安捷伦 Seahorse 助力抗病毒研究的相关内容。
为什么要研究细胞底物氧化水平?
细胞能量代谢与多种疾病息息相关，因此，许多领域的研究人员都对研究能量代谢产生了浓厚的兴趣，其中了解并知道在代谢过程中满足细胞能量需求所依赖的燃料成为了一个重要的研究方向。众所周知，生物体所需的三大营养物质为脂肪、糖类和蛋白质，对于细胞来说，长链脂肪酸（LCFA），葡萄糖（glucose）/丙酮酸（pyruvate）和谷氨酰胺（glutamine）是提供能量的三种最主要的底物。
许多领域（例如癌症、免疫学、干细胞生物学）的研究人员已经证明这些底物的氧化水平会对细胞命运、功能以及适应性产生深远影响。癌症研究人员对研究癌细胞对于底物的依赖性很感兴趣，最常见的是癌细胞对于谷氨酰胺的依赖[1,2]，这种依赖性可以揭示癌细胞的弱点，从而为找到药物靶点提供依据；免疫学研究人员则对研究诱导免疫细胞分化和激活的底物感兴趣，最常见的是脂肪酸氧化[3]。
很多研究发现不仅提供了新的生物学见解，而且还揭示了干预和开发成功疗法的新方法。免疫代谢研究领域领军人物 Dr.Erika L. Pierce 的团队发表在 Trends in Immunology 上的综述性文章[4] 就是这样一个例子。在本文中，他们着重讨论了通过调控 T 细胞代谢（包括脂肪酸氧化）从而治疗癌症和免疫疾病的各种方法，为现在热门的免疫治疗提供了重要依据。文章提到代谢重编程对于 T 细胞激活和功能是必须的，比如抑制氨基酸的转运，可以限制效应 T（effector T）细胞的扩增；抑制脂肪酸的合成，可以削弱 Th17 细胞的分化并且促进调节性 T 细胞（Treg）的发展；增强脂肪酸氧化可以促进调节性 T 细胞或者记忆 T 细胞（T memory）的发展。因此，调控 T 细胞的代谢是提高靶向 T 细胞功能的一种方法。
再来看一篇来自癌症研究领域，2019 年发表在 Nature Metabolism 上的文章。美国贝勒医学院的科学家揭示了前列腺癌，这种常见于中老年男性泌尿生殖系统癌症类型的发生机制，其中有部分前列腺癌与雄性激素分泌紊乱有关[5]。文章中指出雄激素受体驱动的前列腺癌细胞所需的能量来源依赖于线粒体丙酮酸氧化，其中 Seahorse 数据证实了抑制负责将丙酮酸转运到线粒体内的转运子（MPC），可以有效抑制细胞的氧化磷酸化水平，揭示了这种癌细胞的底物利用机制，从而提示 MPC 可能是这种前列腺癌的潜在治疗靶点。
如何检测细胞底物氧化水平 ？
前面我们已经介绍了研究细胞对于底物氧化依赖的重要性，安捷伦 Seahorse 为此提供了一套完整的检测方法，可通过评估活细胞的耗氧速率（OCR）变化来测定细胞底物的氧化水平。这些快速而对样本无侵入损伤的检测方法使研究人员能够研究细胞如何氧化三种主要的底物：长链脂肪酸，葡萄糖/丙酮酸和谷氨酰胺。利用特定底物氧化通路的抑制剂，结合 Seahorse XF 线粒体压力测试，可以对线粒体功能进行全面评估，在底物需求较少（即基础呼吸）和底物需求较多（即最大呼吸）的条件下研究细胞功能，其中在底物需求较多时细胞更多地依赖特定底物（图 1）。
该测定方法基于已被广泛熟知并认可的 Seahorse XF 线粒体压力测试，可提供直观的功能性参数，非常适合研究细胞在基础条件下以及在压力状态下能否升高对底物的需求，从而对细胞底物的偏好性以及依赖性进行全方面评估。使用这些试剂盒能够更方便快速的研究活细胞中特定底物的氧化过程，从而有助于研究细胞如何转换对于特定底物的依赖，以执行关键的细胞功能。
图 1. 安捷伦 Seahorse XF 底物氧化压力测试曲线。在添加或不添加抑制剂时，连续添加化合物，测定基础呼吸参数、对抑制剂（Etomoxir、UK5099 或 BPTES）的急性响应以及最大呼吸参数。值得注意的是，虽然在基础条件下可以检测到较小的变化，即急性响应，但在高底物需求条件下（如 FCCP 的加入），往往会出现更大的响应，从而显示出细胞氧化所研究底物的能力的差异。
产品信息：
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每个试剂盒均包含三个一次性试剂袋。每个试剂袋包含各一瓶以下试剂：底物通路抑制剂（Etomoxir 或 UK5099 或 BPTES），寡霉素（oligomycin），FCCP 和鱼藤酮/抗霉素 A（rotenone/antimycin A）混合物。每个试剂袋包含足够的试剂，可用于一块完整的 XF96 或 XF24 测试板。
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为了获得最佳实验结果，建议使用 pH 7.4 的 Seahorse XF DMEM 或 RPMI 检测液和 Seahorse XF 底物（葡萄糖，丙酮酸和谷氨酰胺）。
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Seahorse XF 底物氧化压力测试与 XF/XFe96 和 XF/XFe24 分析仪兼容。
参考文献
1. Hensley CT, et al., Glutamine and cancer: cell biology, physiology, and clinical opportunities. J Clin Invest. 2013;123(9):3678–3684.
2. Wang Q, et al., Targeting ASCT2-Mediated Glutamine Uptake Blocks Prostate Cancer Growth and Tumour Development. The Journal of Pathology. 2015;236(3):278–289.
3. Patsoukis N, et al., PD-1 alters T-cell metabolic reprogramming by inhibiting glycolysis and promoting lipolysis and fatty acid oxidation. Nature Communications. 2015;6(6692). doi: 10.1038/ncomms7692.
4. David O’Sullivan and Erika L. Pearce, Targeting T cell metabolism for therapy. Trends Immunol. 2015 February ; 36(2): 71–80.
5. Bader et al., Mitochondrial pyruvate import is a metabolic vulnerability in androgen receptor-driven prostate cancer. Nat Metab. 2019 January ; 1(1): 70–85.
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