安捷伦 Seahorse XF 能量代谢分析技术助力呼吸疾病研究

肺代谢活跃且高耗糖。相比其他器官，乳酸产量较高。肺中细胞消耗能量除满足常规细胞活动外，还用于执行如纤毛摆动和产生表面活性剂等专职任务。已有研究表明，能量代谢异常与多种呼吸系统疾病高度相关，如慢性阻塞性肺病 (COPD) 、哮喘、特发性肺纤维化 (IPF) 、肺动脉高压 (PH) 等，这些疾病均与线粒体功能障有关。此外，糖酵解在纤维化过程中也起着决定性的作用。肺中细胞的异常代谢会导致如纤毛缩短、成纤维细胞激活、活性剂产生抑 制、细胞衰老或死亡等病理过程。通过代谢分析，不仅能够看到肺中单个细胞群在健康和疾病状态下，如何调节代谢进行反应或适应，还可进一步对代谢相关药物进行药效、毒性的验证和评估。

安捷伦 Seahorse XF 能量代谢分析技术通过固态荧光传感器对活细胞进行非侵入式代谢分析，使用氧气消耗率 (OCR) 评估细胞线粒体功能，使用胞外酸化率 (ECAR) 来评估糖酵解功能。该系列产品能够对贴壁细胞、悬浮细胞、原代细胞、分离的线粒体、少量组织等多种类型生物样本进行实时监测。下面介绍部分用于呼吸疾病的研究案例：

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α- 硫辛酸激活小鼠的 AMPK/PGC1α 通路改善线粒体功能来减轻二氧化硅诱导的肺纤维化

Alpha-lipoic acid attenuates silica-induced pulmonary fibrosis by improving mitochondrial function via AMPK/PGC1α pathway activation in C57BL/6J mice (Chang M et al. Toxicol Lett. 2021 Oct 10;350:121-132.)

研究发现给矽肺病模型小鼠连续灌胃给药 α- 硫辛酸 (ALA) 28 天，发现 ALA 减少了活性氧的产生，并保护线粒体免受二氧化硅引起的功能障碍，并抑 制细胞外基质沉积，减轻了肺纤维化。

通过肺组织实验表明二氧化硅存在下线粒体不同程度受损，但加入 ALA 后可显著改善线粒体功能

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脂肪酸合酶下调促进了饮食诱发肥胖症的小鼠急性肺损伤

Fatty acid synthase downregulation contributes to acute lung injury in murine diet-induced obesity (Plataki M et al. JCI Insight. 2019 Jul 9;5(15):e127823.)

研究发现高脂饮食诱导的肥胖会增加小鼠高氧急性肺损伤的严重程度，部分原因是降低了肺中脂肪酸合酶 (FASN) 水平。暴露于高氧的肥胖小鼠存活率显著降低。研究表明 II 型肺泡上皮细胞中 FASN 表达降低导致线粒体生物能学改变和高氧暴露更严重的肺损伤，即使给予高脂饮食也是如此。

降低 AEC2 细胞中 FASN 水平后暴露于高氧（绿）严重损害了线粒体功能导致备用呼吸能力几乎丧失，并导致糖酵解转换能力受损

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香 烟烟雾减少脂肪酸分解代谢，导致肺内皮细胞凋亡：对 COPD 发病机制的影响

Cigarette Smoke Reduces Fatty Acid Catabolism, Leading to Apoptosis in Lung Endothelial Cells: Implication for Pathogenesis of COPD (Gong J et al. Front Pharmacol. 2019 Aug 29;10:941.)

该研究使用香 烟烟雾 (CS) 提取物 (CSE) 处理原代小鼠肺微血管 ECs (PMVECs) ，发现与 COPD 患者的 PMVECs 一样表现出线粒体呼吸受损且脂肪酸氧化 (FAO) 减少，而 FAO 减少与 CPT1a 减少相关。使用 etomoxir 抑 制 CPT1a 时加重了 CSE 诱导的细胞凋亡。

CSE 处理小鼠的 PMVECs 和 COPD 患者的 PMVECs 都表现出线粒体呼吸减少

CSE 处理后与 COPD 患者的 PMVECs 都表现 FAO 减少

补充左旋肉碱可以增强 CSE 处理的 FAO 以及缓解凋亡，而 Etomoxir 抑 制 FAO 加重凋亡

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线粒体精氨酸代谢增加支持哮喘中的生物能量学

Increased mitochondrial arginine metabolism supports bioenergetics in asthma (Xu W et al. J Clin Invest. 2016 Jul 1;126(7):2465-81.)

哮喘患者上皮细胞内精氨酸水平比健康对照组高 3 倍，精氨酸酶 (ARG) 活性也会增加。通过线粒体中的 ARG2 进行的精氨酸代谢可以为哮喘中的高 NO 合成提供内源性精氨酸。该研究将哮喘定义为是一种精氨酸驱动的代谢紊乱。在该研究中，人支气管上皮细胞系中的 ARG2 过表达加速了氧化代谢而抑 制了糖酵解活性，并通过 ARG2 的抑 制剂 BEC 得到证明。

ARG2 过表达的支气管上皮细胞中，线粒体呼吸增加而糖酵解降低且通过 BEC 抑 制 ARG2 恢复

因此，研究呼吸系统各细胞的能量代谢，有助于更深入的了解肺部相关疾病的发展机制，如确定肺部不同细胞群的代谢表型，揭示表型改变是否会影响器官功能或导致疾病的发展；研究肺部产生大量乳酸的原因，对肺的生长和功能是否很重要；研究靶向 AMPK 此类影响细胞代谢的关键调节因子能否影响代谢来治疗或缓解肺部疾病等。