Seahorse XF细胞能量代谢分析技术在诺贝尔生理和医学奖相关领域的应用

2019年诺贝尔生理或医学奖在瑞典卡洛琳斯卡医学院揭晓，哈佛医学院的William G. Kaelin，牛津大学的Peter J. Ratcliffe以及约翰霍普金斯大学的Gregg L. Semenza教授因在“发现细胞如何感知和适应氧气变化”领域做出的卓越贡献，被授予这一科学界最高奖项。

图1：获奖的三位科学家

众所周知，哺乳动物需要利用氧气将食物转化成可供使用的生物能量。此次诺贝尔奖获得者开创性地揭示了细胞感应氧气的分子机制，阐明了氧气含量是如何影响细胞代谢和生理功能的，为包括肿瘤、心血管病、慢性肾脏贫血等多种疾病的临床治疗开辟了新路径¹。

三位科学家获奖的核心成果是发现了低氧诱导因子1（HIF-1），其广泛存在于慢性缺氧细胞中，它的表达水平受到氧气含量的影响：在高氧状态下，低氧诱导因子被修饰，从而降解；在低氧状态下，低氧诱导因子不被修饰，不会降解。HIF-1所调控的基因能够作用于线粒体呼吸，还能够动态调节糖酵解的速率。

氧气消耗速率（OCR）和细胞外酸化速率（ECAR）是测定活细胞线粒体呼吸功能和糖酵解水平的金标准，安捷伦公司推出的Seahorse XF细胞能量代谢分析系统可广泛应用于诺贝尔生理或医学奖的相关研究领域。下面是几位获奖科学家使用Seahorse XF技术发表的文章：

2011年，Gregg L. Semenza组在Cell期刊上发表文章，发现丙酮酸激酶PKM2与脯氨酰羟化酶3（PHD3）的相互作用增强了PKM2与HIF-1α的结合，促进了HIF-1α靶基因的转录激活 ²。他们进一步发现，PHD3可以羟基化403/408位的脯氨酸，PHD3的敲低会抑制PKM2共激活子的功能，减少癌细胞对葡萄糖的摄取、乳酸的产生，增加了氧消耗。在这篇文章中作者利用Seahorse XF技术测量了氧气消耗速率OCR。如下图：

图2：敲低PHD3降低了肾癌细胞的胞内葡萄糖和胞外乳酸的水平，增加了氧消耗

2016年Semenza组又在Cancer Research发表文章，研究磷酸甘油酸脱氢酶（PHGDH）在乳腺癌干细胞的维持和肺转移过程中的作用³。缺氧诱导HIF的表达，HIF作为转录因子进一步诱导PHGDH的表达。瘤内缺氧的环境会使乳腺癌干细胞富集，促进乳腺癌转移和病人死亡。在这样一个研究背景下，作者想要研究低氧时PHGDH是如何影响乳腺癌干细胞的。结果发现，敲低PHGDH 会显著减少乳腺癌干细胞的富集。作者运用Seahorse XF技术来检测PHGDH对细胞代谢的影响，结果表明，敲低PHGDH的乳腺癌细胞系MDA-MB-231和MCF-7的OCR和ECAR都上升，而葡萄糖的摄取并没有改变。进一步的研究证实，PHGDH影响乳腺癌细胞对葡萄糖代谢物的利用。

图3：PHGDH的敲低使乳腺癌细胞的氧消耗和糖酵解水平升高

2010年，另外一位获奖者William G. Kaelin组同样使用Seahorse XF技术在Circulation期刊上发表文章，研究脯氨酰羟化酶（PHD）在心脏中的功能⁴。作者发现心脏PHD的特异性失活和HIF的长期激活，足以引起很多缺血性心肌病的症状。在研究PHD如何影响心脏功能的时候，作者采用了Seahorse XF技术。如下图：

图4：PHD2缺陷的小鼠胚胎成纤维细胞和心肌细胞的氧消耗降低

除了在基础科研领域大放异彩，HIF的研究成果也被用到了制药行业中。获奖科学家中的William G. Kaelin教授，是珐博进（中国）医药技术开发有限公司的科学顾问委员会成员。珐博进基于Kaelin教授获诺贝尔奖的低氧诱导因子机制研发的罗沙司他 (Roxadustat)已于2018年12月18日在中国首先获批上市。罗沙司他是全球获批的首个小分子低氧诱导因子脯氨酰羟化酶（HIF-PH）抑制剂类贫血药物。HIF不仅使红细胞生成素表达增加，也能使红细胞生成素受体以及促进铁吸收和循环的蛋白表达增加。罗沙司他通过模拟脯氨酰羟化酶（PH）的底物之一酮戊二酸来抑制PH酶，影响PH酶在维持HIF生成和降解速率平衡方面的作用，从而达到纠正贫血的目的。治疗慢性肾脏贫血是该药的第一个适应症。目前许多科学家，例如Anna Baulies⁵和Takemura K⁶还在继续研究罗沙司他对癌症和骨骼肌的作用，在他们发表的论文中，也均使用了安捷伦的SeahorseXF技术。

从生命科学研究领域到生物制药领域，Agilent Seahorse XF技术以其专业独特的分析测试技术，正在为科研工作者提供更深入的细胞功能洞察力。更多Agilent Seahorse XF相关科研文献查询，请点击安捷伦细胞分析出版物数据库：https://www.agilent.com/publications-database/.

参考文献
1 Thompson, C. B. Into Thin Air: How We Sense and Respond to Hypoxia. Cell 167, 9-11, doi:10.1016/j.cell.2016.08.036 (2016).
2 Luo, W. et al. Pyruvate kinase M2 is a PHD3-stimulated coactivator for hypoxia-inducible factor 1. Cell 145, 732-744, doi:10.1016/j.cell.2011.03.054 (2011).
3 Samanta, D. et al. PHGDH Expression Is Required for Mitochondrial Redox Homeostasis, Breast Cancer Stem Cell Maintenance, and Lung Metastasis. Cancer Res 76, 4430-4442, doi:10.1158/0008-5472.CAN-16-0530 (2016).
4 Moslehi, J. et al. Loss of hypoxia-inducible factor prolyl hydroxylase activity in cardiomyocytes phenocopies ischemic cardiomyopathy. Circulation 122, 1004-1016, doi:10.1161/CIRCULATIONAHA.109.922427 (2010).
5 Baulies, A. et al. The 2-oxoglutarate carrier promotes liver cancer by sustaining mitochondrial GSH despite cholesterol loading. Redox Biol 14, 164-177, doi:10.1016/j.redox.2017.08.022 (2018).
6 Takemura, K., Nishi, H., Higashihara, T. & Nangaku, M. SUN-285 PHD inhibitor and hypoxia influence on skeletal muscle glucose metabolism. Kidney International Reports 4, doi:10.1016/j.ekir.2019.05.790 (2019).