各项代谢指标完全解读

糖酵解氧化磷酸化代谢关联指标

脂质代谢关联指标

氨基酸代谢关联指标

线粒体相关指标

衰老相关指标

当试图了解细胞状态时，分析各种细胞内代谢途径【例如糖酵解系统、三羧酸（TCA）循环、电子运输链等】非常重要。代谢产物和能量来源，【例如葡萄糖、乳酸和NAD（P）+/NAD（P）H】都是用于分析细胞内代谢的指标。

细胞代谢与疾病

近年来，针对癌症、糖尿病等疾病模型的细胞内代谢研究受到了广泛关注。下面是不同疾病的 代谢指标变化的详细介绍。

癌症

癌细胞在无限增殖的同时保持着活跃的细胞代谢，不断吸收大量的营养物质进行蛋白质、核酸、能量（如ATP）的合成。即使在不利的环境下(低氧气、低营养)，癌细胞仍然可以通过改变代谢途径而存活下来。近年来，针对癌细胞的代谢途径的研究也越来越多。

糖代谢有两种途径：线粒体氧化磷酸化和糖酵解(Glycolysis)。正常哺乳动物细胞在有氧条件下，糖酵解被抑制。而癌细胞即使在氧气充足的情况下，糖酵解仍然十分活跃(瓦格博效应，Warburg effect)。因此，癌细胞大量的摄取糖分并在亢进的糖酵解作用下大量产生乳酸。由于糖酵解途径在生成ATP时并不需要氧气，所以即使在低氧环境下，癌细胞仍然可以增殖。另一方面，癌细胞的线粒体利用氨基酸和脂肪产生NADH，NADH除了用于产生ATP以外，还主要用于抵御氧化还原作用。癌细胞的线粒体有着异常的机能，这会引起线粒体膜电位的上升（过极化）以及过剩的活性氧的产生。因此需要产生大量的谷胱甘肽来维持胞内的氧化还原平衡。而谷氨酰胺 (Glutamine)和胱氨酸(Cystine)是谷胱甘肽合成的必要来源，癌细胞不断的过量摄入这些氨基酸。另外，由于需要 NADPH来维持还原型谷胱甘肽，癌细胞会不断利用从糖酵解、戊糖磷酸途径(pentose phosphate pathway)以及线粒体产生的NADH来维持高浓度的NADPH。

*请注意，上述内容是概括性的癌细胞代谢特征的描述。随着癌细胞种类的不同和环境的变化会有一定差别。

参考文献

下面是一些癌细胞代谢的综述性文献，供初次接触这一领域的研究人员参考。

1) 糖酵解：M. G. Vander Heiden, L. C. Cantley, and C. B. Thompson, “Understanding the Warburg Effect: The Metabolic Requirements of Cell Proliferation”, Science, 2009, 324, 1029.

2) 氨基酸代谢、ROS：P. Koppula, Y. Zhang, and B. Gan, “Amino Acid Transporter SLC7A11/xCT at the Crossroads of Regulating Redox Homeostasis and Nutrient Dependency of Cancer”, Cancer Commun., 2018, 38, 12.

3) 氨基酸代谢：E. L. Lieu, T. Nguyen, S. Rhyne, and J. Kim, “Amino Acids in Cancer”, Exp. Mol. Med., 2020, 52, 15.

4) 线粒体、ROS、NADPH：F. Ciccarese and V. Ciminale, “Escaping Death: Mitochondrial Redox Homeostasis in Cancer Cells”, Front. Oncol. 2017, 7, 117.

5) NADH：A. Chiarugi, C. Dolle, R. Felici, and M. Ziegler, “The NAD Metabolome-A Key Determinant of Cancer Cell Biology”, Nat. Rev. Cancer, 2012, 12, 741.

⚫ 葡萄糖(Glucose)代谢障碍与抗癌作用

⚫ 氨基酸代谢障碍和抗癌作用

⚫ 1个试剂盒，匀浆和非匀浆自由选择

⚫ 癌细胞免疫与代谢

抑制葡萄糖代谢和抗癌作用

癌细胞主要使用糖酵解系统产生ATP，因此针对糖酵解系统的抗癌药物的开发已经进行了很长时间。目前还没有开发出有效的抗癌药物，但糖酵解仍然是癌细胞的主要药物靶点。因此，糖酵解是了解癌细胞代谢的最重要途径。

葡萄糖转运蛋白（GLUT）是药物发现中糖酵解靶蛋白的一个例子。由于癌细胞通过葡萄糖转运蛋白摄取大量的糖，因此可以通过直接抑制葡萄糖转运蛋白来抑制糖酵解。另外，抑制葡萄糖饥饿的活性、糖酵解系统的酶 (己激酶：HK、乳酸脱氢酶：LDH等) ，和抑制糖酵解系统的最终产物乳酸向细胞外的流出也是有效的手段。

各抑制剂引起的细胞内代谢变化.文献

抑制氨基酸代谢与癌症治疗

在增殖活跃的癌细胞中，氨基酸是蛋白质和核酸合成所必需的营养素。由于癌细胞中来自糖酵解系统的乙酰CoA的供给降低，因此积极利用氨基酸

作为TCA循环的营养源。研究表明，癌细胞通过氨基酸转运蛋白的表达量增加，吸收大量氨基酸。特别是谷氨酰胺是谷胱甘肽的原料和TCA循环中必需的α-酮戊二酸的来源，并且针对谷氨酰胺的摄取和代谢（谷氨酰胺分解）的药物开发备受关注。此外，我们发现与许多必需氨基酸摄取有关的氨基酸转运蛋白LAT(L-type amino acid transporter)在许多癌细胞中过度表达，并有望作为新的药物发现目标。
与其他氨基酸不同，氧化还原控制所需的半胱氨酸主要由胱氨酸转运蛋白xCT吸收到细胞中。癌细胞会产生大量的活性氧，从而增加抗氧化剂谷胱甘肽的产生，维持氧化还原平衡。因此，通过抑制谷胱甘肽产生的途径，可以改变细胞内氧化还原平衡，并诱导细胞死亡，如铁吞作用。此外，谷胱甘肽还有助于耐药性，因此涉及谷胱甘肽产生的途径是药物发展的主要目标。特别是最近，长期用作抗炎药的磺胺沙拉嗪和癌症的分子靶向治疗药物索拉非尼布抑制了xCT，通过xCT抑制的铁吞作用引起了人们的关注。

各抑制剂引起的细胞内代谢变化.文献

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抑制脂肪酸代谢和抗癌作用

细胞增殖活跃的癌细胞当然需要大量的脂质。因此，细胞内的脂肪酸合成和细胞外的脂肪酸摄取是很活跃的。因此，许多癌细胞增加了脂质滴的积累。针对癌细胞的治疗目标主要是与脂肪酸的产生相关的途径，并开发了许多抑制剂。

另一方面，癌细胞利用脂肪酸的β氧化来有效地产生能量，以补充糖酵解系统低效能量的产生。因此，以脂肪酸的β氧化为目标的药剂开发也在进行中。

各抑制剂引起的细胞内代谢变化.文献

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癌症免疫治疗与细胞代谢

T细胞在消除癌细胞的免疫系统中起着核心的作用。近年来发现，T细胞的分化和活化等调节机制也与细胞内的代谢有关，因此癌症免疫相关的代谢研究也越发活跃起来。癌细胞需要吸收大量营养才能维持增殖活性，而活化的T细胞同样需要大量营养(尤其是葡萄糖)才能消除癌细胞。所以，活化的T细胞与癌细胞存在局部的“葡萄糖竞争”。众所周知，癌细胞可以通过表达活性化T细胞表面的免疫检查点PD-1来抑制T细胞的活性。而且，最近的研究发现，在这个相互作用中，T细胞的葡萄糖摄取也会受到抑制。癌细胞通过抑制免疫细胞的代谢来获得免疫逃逸，因此癌症免疫方面的研究并不局限于癌细胞，对免疫细胞的代谢研究也十分重要。

参考文献 

1) Z. Yin, L. Bai, W. Li, T. Zheng, H. Tian, and J. Cui, “Targeting T cell metabolism in the tumor microenvironment: an anti-cancer therapeutic stratety”, J. Exp. Clin. Cancer Res. 2019, 38, 403.

2) L. Almeida, M. Lochner, L. Berod, and T. Sparwasser, “Metabolic pathways in T cell activation and linear differentiation”, Semin. Immunol. 2016, 28(5), 514.

3) A. Kumar and K. Chamoto, “Immune metabolism in PD-1 blockage-based cancer immunotherapy”, Int. Immunol., 2020 Jul 5;dxaa046.

4) D. G. Franchina, F. He, and D. Brenner, “Survival of the fittest: Cancer challenges T cell metabolism”, Cancer Lett., 2018, 412, 216.

5) N. Patsoukis, K. Bardhan, P. Chatterjee, D. Sari, B. Liu, L. N. Bell, E. D. Karoly, G. J. Freeman, V. Petkova, P. Seth, L. Li, and V. A. Boussiotis, “PD-1 alters T-cell metabolic reprogramming by inhibiting glycolysis and promoting lipolysis and fatty acid oxidation”, Nat. Commun., 2015, 6, 6692.

各抑制剂引起的细胞内代谢变化.文献

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糖尿病

抑制葡萄糖代谢和抗癌作用

在高血糖状态下，细胞内葡萄糖浓度升高，多元醇途径代谢增强。这会过 度消耗NADPH，减少还原型谷胱甘肽(GSH)。 其结果是，氧化应激增加，促进细胞损伤。

参考文献 

M. Brownlee, “The pathobiology of diabetic complications: a unifying mechanism”, DIABETES, 2005, 54, 1615.

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衰老

⚫ 衰老相关疾病与乳酸、NAD+的关系

⚫ DNA损伤引发的细胞衰老

⚫ 谷氨酰胺代谢与细胞衰老

衰老相关疾病与乳酸、NAD +的关系

近年来，NAD+与衰老之间的关系 引起了人们的关注。单个小鼠的 衰老模型中，在肝脏等中观察到 的NAD+量减少1)，并且据报道， 抑制NAD +合成酶会导致衰老细胞 功能下降2）。此外，NAD+量的减 少导致线粒体功能下降3)，而线粒 体功能的降低表明NAD+量减少， 从而导致衰老细胞的功能下降4)。

DNA损伤引发的细胞衰老

在衰老的细胞中，由于线粒体功能下 降，主要由厌氧的糖酵解通路产生ATP， 因此乳酸的产生量增加7）。 DNA损伤是细胞衰老导致线粒体功能 障碍的原因之一。 DNA损伤的积累会激活 DNA修复机制并增加NAD+消耗。 NAD+量的减少会降低SIRT1活性，这 是维持线粒体功能的重要因素，导致线粒 体功能的降低（电子转移的抑制→ATP产 生/ NAD+量的减少）3),8)。

谷氨酰胺代谢和细胞衰老

抑制肿瘤的menin通过靶向依赖mTORC1的代谢激活来预防效应CD8T细胞功能障碍9)。

Menin是一种肿瘤抑制因子，在预防衰老和疲劳等T细胞功能障碍中起着重要作用。当Menin缺乏时， mTORC1被激活，并通过糖酵解系统和谷氨酰胺降解增强氧化磷酸化，导致CD8T细胞功能障碍。此外， 谷氨酰胺代谢中间产物α酮戊二酸有助于维持mTORC1激活和促进细胞衰老(SA-β-gal活性增强)。谷氨酰 胺-α-酮戊二酸通路在诱导CD8T细胞功能障碍中发挥重要作用，并发现Menin有抑制T细胞衰老的可能性。

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铁死亡的发生

在细胞中有大量的脂质组成细胞膜，细胞膜上的脂质会以大量磷脂的形式存在，细胞内的脂质会分为单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸，在氧分子和铁离子的存在下，多不饱和脂肪酸的增加容易被氧化而产生脂质过氧化物，有更多的不饱和脂肪酸的情况下，会更容易扩散，引起细胞膜损伤，也就是我们说的铁死亡。但是正常的细胞是可以调控这种细胞膜损伤，也就是我们常说的GPX4通路等等抗氧化系统，所以细胞才能在氧化物质存在的情况下，仍然可以存活。

以上为铁死亡的简要发生原理，我们也整理了较为详尽的铁死亡通路图，点击下方链接可直接下载

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如何检测铁死亡发生

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铁死亡的机制及其在疾病中的作用

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实验例：Erastin诱导铁死亡发生

Erastin是一种已知的铁死亡诱导剂。通过抑制胱氨酸转运蛋白（xCT），erastin抑制胱氨碱的摄取。胱氨酸是谷胱甘肽的原料。因此，Erastin最终会降低GSH的含量。GSH的降低会导致脂质过氧化物的积累和铁死亡的诱导。

以下实验实例显示了在Erastin刺激下各指标结果的变化情况，各项指标均使用Dojindo试剂进行测量。

使用Erastin处理的A549细胞，我们测量了细胞内Fe2+、ROS、脂质过氧化物、谷胱甘肽、谷氨酸释放到细胞外含量和胱氨酸摄取。结果，观察到Erastin对xCT的抑制，导致谷氨酸的释放和胱氨酸的摄取也减少。此外，Erastin处理后，细胞内谷胱甘肽降低，细胞内Fe2+、ROS和脂质过氧化物增加。

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