光電聯(lián)合多維度能量代謝檢測在高級別前列腺癌中的OXPHOS重塑的應用
引言
前列腺癌（Prostatic Cancer，PCa）發(fā)病率居全球男性惡性腫瘤D二位，僅在2020年就有大約140萬例病例，連股神巴菲特也難逃前列腺癌的魔爪。前列腺癌的病因及發(fā)病機制十分復雜，其確切病因尚不明確。隨著社會老齡化、人口城市化，其發(fā)病率快速增長，前列腺癌正日益成為嚴重威脅我國男性健康的疾病。
前列腺癌研究為什么要關注線粒體?
前列腺癌發(fā)病機制復雜，能量代謝的重組和線粒體的適應被認為會影響前列腺癌的發(fā)生和發(fā)展。線粒體是細胞生命活動的能量工廠，是幾乎所有直核生物都存在的一種細胞器。它的主要功能是進行氧化磷酸化(OXPHOS)合成ATP，是糖類、脂肪和氨基酸等物質的Z終氧化釋放能量的場所，對維持生物體正常生理功能至關重要:線粒體除了作為細胞內能量生成的關鍵細胞器，還參與細胞凋亡、脂質代謝、自由基產生等代謝過程。已有研究表明，線粒體DNA突變在前列腺癌中起重要作電、線粒體DNA突變將直接引發(fā)線粒體功能障礙，導致線粒體ROS產生增加和氧化還原再平衡，刺激癌細胞的增殖和侵襲，但其具體的分子機制并不清楚，因此，深入探討線粒體在前列腺癌發(fā)生發(fā)展過程中的分子作用機制，將為前列腺癌新的藥物靶點的發(fā)現提供重要理論依據。
應用案例：Nature子刊 | 前列腺癌中的OXPHOS重塑涉及mtDNA突變和琥珀酸氧化增加
摘要:奧地利因斯布魯克醫(yī)科大學遺傳與藥理學系遺傳流行病學研究所BerndSchöpf教授于2020年在《Nature Communications》發(fā)表《OXPHOS remodeling in high-qrade prostate cancer involves mtDNA mutations and increased succinate oxidation》，文獻報道了良性惡性人類前列腺組織樣本中，線粒體呼吸、DNA變異和基因表達的關聯(lián)研究。研究發(fā)現，前列腺癌組織中NADH途徑底物谷氨酸和蘋果酸鹽的呼吸能力降低，代謝顯著向更高的琥珀酸鹽氧化代謝轉變，尤其是在前列腺癌中更為明顯。潛在有害的線粒體DNA突變的負荷在腫瘤中較高，并且與不利的風險因素相關。編碼線粒體復合體|(CI)基因的高水平有害變異與NADH途徑氧化能力降低70%和琥珀酸鹽氧化增強(復合體途徑)補償相關，這些結果表明琥珀酸鹽作為“前列腺癌代謝物”的重要性。鑒于這些發(fā)現，琥珀酸鹽和復合體II(CII)有希望成為新型的抗前列腺癌的藥物靶點。
結果：從50例前列腺癌根治術標本中每例提取成對良性/惡性組織穿刺針活檢。一小部分提取的組織被固定并用于組織學染色(粉色箭頭)并確認組織特性，其余的立即用于O2k檢測(藍色箭頭)、NGSmtDNA圖譜(橙色箭頭)和mtDNA拷貝數測定(灰色箭頭)。O2k評估每個前列腺標本的成對良性/惡性組織活檢的OXPHOS水平，并且用H202進行短期處理以模擬氧化應激。與 PCa組織相比，良性組織顯示出顯著更高的NADH通路OXPHOS容量(電子通過CI進入 Q)，在進一步添加琥珀酸鹽(S)后，沒有觀察到OXPHOS(NSP)和ET(NSE)呼吸能力的差異，表明通過琥珀酸鹽途徑的會將電子轉移增加來補償NADH途徑缺陷(電子通過CII進入 Q)。與相應的良性樣本相比，含線粒體DNA突變的前列腺癌惡性組織樣本顯示非常低的 NADH通路容量(P&G&M;內酮酸&谷氨酸&蘋果酸)，其NADH通路容量降低了>70%，對這些突變的結構分析顯示，氨基酸的變異導致了對復合體的潛在有害影響，并證明了存在的因果關系。
參考文獻:Schöpf,B.,Weissensteiner,H.,Schäfer,G.et al.OXPHOS remodeling in high-grade prostate cancer involves mtDNA mutations and increased succinate oxidation. Nat Commun 11,1487(2020).
線粒體氧化磷酸化功能評估為前列腺癌研究帶來的重要參考
線粒體氧化磷酸化（OXPHOS）系統(tǒng)是線粒體能量代謝的中心，是真核細胞能量產生的關鍵。支持OXPHOS系統(tǒng)運轉的是電子傳遞鏈（ETC）的上五種酶復合體：復合體I、復合體II、復合體III和復合體IV，由復合體I-IV生成的質子梯度隨后被復合體V所利用，催化ADP磷酸化生成ATP。OXPHOS系統(tǒng)中任何一個復合體發(fā)生異常或功能障礙，都會ji易導致線粒體發(fā)生功能障礙，因此通過檢測OXPHOS系統(tǒng)各復合體功能活性來評估線粒體氧化磷酸化功能，將為深入研究前列腺癌發(fā)病機制帶來重要參考，但如何快速檢測分析OXPHOS各復合體的功能活性，是評估線粒體氧化磷酸化功能的技術難點。目前對OXPHOS各復合體的功能活性的檢測，主要是采用比色法，操作時間長，步驟多，只能對單個復合體功能活性進行終點法的檢測分析，無法一次性實時動態(tài)檢測分析同一樣本各復合體功能活性。
Oroboros O2k擁有的一次性同時快速檢測線粒體氧化磷酸化各復合體的功能活性的技術特點：
Oroboros O2k提供了一種獨特的SUIT（底物-解偶聯(lián)劑-抑制劑-滴定，Substrate-uncoupler-inhibitor-titration）檢測方案來檢測線粒體氧化磷酸化各復合體的功能活性。Oroboros O2k沒有加藥孔的限制，也沒有試劑盒的限制，可以根據實驗設計靈活的無限制的添加底物、抑制劑、解偶聯(lián)劑及不同濃度的藥物滴定，實現同一個樣本一次性快速進行復合體I、復合體II、復合體IV、z大呼吸率、ATP合酶的功能活性檢測，深度挖掘線粒體能量代謝信息，快速評估和表征線粒體氧化磷酸化各復合體功能活性，從而助力前列腺癌研究。
奧地利OROBOROS O2K光電聯(lián)合多維度能量代謝檢測整體解決方案
1、光電聯(lián)合多參數實時動態(tài)檢測技術：
電化學實時動態(tài)檢測模塊：pO2（高分辨率極譜氧電極傳感器，耗氧率檢測分辨率為±1 pmol O₂∙s-¹∙mL-¹）、pH、H2O2、TPP+（測量線粒體膜電位）、H2S、NO、質體醌；熒光實時動態(tài)檢測模塊：MMP（測量線粒體膜電位）、ATP、Ca2+、ROS、NADH；
2、原代細胞、原代組織能量代謝快速檢測技術：
無需過夜培養(yǎng)、樣品快速檢測，更加客觀反應樣品更接近體內的能量代謝水平；
3、多維度能量代謝分析平臺：
適應線粒體、細胞、組織塊、活檢樣品等不同層次不同水平的樣本檢測。
