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客户文章 | 应用整合分子失活剂揭示肿瘤生长过程中天冬氨酸的代谢来源

分类:
阿趣动态
发布时间:
2021/02/01 10:02
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代谢组学

 
 
文章标题:Uncovering the Metabolic Origin of Aspartate for Tumor Growth Using an Integrated Molecular Deactivator
 
发表期刊:Nano Letters
 
发表时间:2020年12月21日
 
影响因子:11.238
 
合作客户:中国人民解放军总医院第四医学中心
 
百趣生物提供服务:LC-MS非靶标代谢组学+中心碳代谢高通量靶标定量
 
 
 
葡萄糖代谢重编程并表现出葡萄糖利用率升高是肿瘤细胞/组织的标志性特征。重编程后的葡萄糖代谢关联到能量以及核酸、蛋白、脂质合成的前体代谢物等多个方面。其中天冬氨酸是肿瘤细胞生长的重要限制因素,但是天冬氨酸是否来源于重编程的葡萄糖代谢的科学问题仍然没有得到解决。目前已经有很多恶性肿瘤相关的葡萄糖代谢研究,但普遍使用体外培养细胞作为模型,而体外培养细胞的代谢行为和生长于复杂微环境的体内肿瘤细胞是明显不同的。
 
由于葡萄糖能够维持肿瘤持续生长,因此阻断葡萄糖的吸收是研究肿瘤生长机制的关键。现在已经发现各类具有抑制作用的小分子或抗体,能够结合到细胞膜上的葡萄糖转运蛋白上。但是已有抑制剂仍然存在一些问题,首先抑制剂无法抑制多种类型的葡萄糖转运蛋白来阻止肿瘤细胞摄入葡萄糖;其次抑制剂通常有非选择细胞毒性,对肿瘤周围的健康细胞也会产生不良作用。
 
为研究体内肿瘤细胞葡萄糖代谢和天冬氨酸的联系,并且避免非选择性抑制剂的副作用,本文作者受到用于诊断治疗肿瘤的纳米分子材料的启发,设计出整合分子失活剂(integrated molecular deactivator, iMD)。基本结构为镧系上转换纳米核心,核心最表面覆盖还原态氧化钼薄层,薄层上修饰链接了鱼精蛋白,伊红(光敏剂)和磷酸葡萄糖(图一)。
 
中心碳代谢
图一 整合分子失活剂iMD上转换纳米探针结构
 
iMD纳米分子探针在偏酸性,缺氧的肿瘤细胞/组织微环境中性质稳定,而在正常生理环境中,还原态氧化钼薄层则会崩解为超细纳米颗粒使探针碎裂。因此iMD纳米分子探针能够实现选择性地连接肿瘤组织,同时不影响周边正常细胞。当给与980nm近红外光辐照(NIR)时,分子探针的上转换核心会激发伊红产生单线态氧,使其周围半径3-4nm范围被氧化失活。由于iMD探针作用的时空特异性,仅有和探针连接的葡萄糖转运蛋白被失活,细胞膜上的其它蛋白不会受到影响。不同于传统抑制剂,iMD探针对于各种类型的葡萄糖转运蛋白均有显著地抑制作用,当提供NIR辐照时能长效阻断葡萄糖的吸收(图二)。   
 
中心碳代谢
图二 iMD纳米分子探针对各类葡萄糖转运蛋白的特异抑制作用
实验通过荧光葡萄糖类似物进行验证,正常细胞摄入葡萄糖类似物发绿色荧光,阻断吸收后不发光。
 
随后通过非靶向代谢组实验验证,当应用iMD探针后,葡萄糖剥夺抑制了糖酵解和TCA循环,也减少了能量,碳水化合物,尤其是天冬氨酸的产生(图三)。
 
中心碳代谢
图三  A 非靶向代谢组热图  B非靶代谢检测中存在显著差异的代谢途径
 
由于常规非靶向代谢组检测不能全面检测到中心碳相关的代谢物,在后续实验中增加了对照组和实验组中心碳代谢物的靶向测定,发现TCA循环相关代谢物普遍出现了显著性下降(图四)。
 
中心碳代谢
图四 中心碳靶向实验验证TCA循环在葡萄糖阻断后的抑制现象
 
结合非靶向数据(图三B),结果表明谷氨酰胺和其它能量源并不能作为备选能量减轻对TCA循环的抑制,并进一步合成天冬氨酸。减少的天冬氨酸主要来自于上游的葡萄糖(图五)。iMD探针可以通过抑制葡萄糖的吸收(不影响谷氨酰胺和其它能量源的吸收),减少天冬氨酸的转化合成,最终影响蛋白以及核酸的合成,最终抑制肿瘤生长(图六)。
 
中心碳代谢
图五 中心碳靶向实验验证肿瘤细胞中天冬氨酸来源主要为葡萄糖
 
中心碳代谢
图六  iMD纳米分子探针对肿瘤的抑制机制
 
在iMD探针抗肿瘤机制得到验证后,开展的动物实验也证明了该探针对于肿瘤生长有着显著的抑制效果,长期效果优于葡萄糖转运蛋白抑制剂WZB117(图七)。
 
中心碳代谢
图七  iMD纳米分子探针相比PBS对照组和其它抑制剂对肿瘤生长的抑制效果对比
 
背景知识:上转换纳米材料,如Yb、Tm、Ho或其他稀土元素掺杂的NaLnF4纳米颗粒(Ln为镧系元素),是一类吸收长波长(红外光)、低能量光子,发射短波长(可见光)、高能量光子的新型荧光纳米材料。其上转换过程可将连续吸收的两个或者多个光子,然后跃迁至基态产生一个高能量的发射光子,是一个非线性光学的反斯托克斯过程.其独特的变频能力使UCNPs具备很多的优点,如信噪比高、荧光寿命长、无光闪烁和光漂白、毒性低、发射带窄以及有较大的穿透深度、对生物组织几乎无损伤等显著优点。
 
文章延伸
 
中心碳代谢(CCM)传统意义上包括糖酵解途径(EMP)、磷酸戊糖途径(PPP)以及三羧酸循环途径(TCA)。中心碳代谢是生物体所需能量的主要来源,并为体内其他代谢提供前体物质,且CCM中关键酶的酶活及蛋白表达水平具有遗传分辨性,类似于表型,可用于大致的种属分辨。鉴于CCM在所有生命体中的重要作用,研究其代谢物的表达具有非常重要的意义。液质联用方法(LC-QQQ-MS)可以高通量检测样本中心碳代谢通路中各物质的含量,通过数据分析以寻找物质间的变化关系。
 
BIOTREE中心碳代谢高通量靶标定量技术优势:
定性定量准,构建物质标准曲线,提供物质的绝对含量;
技术成熟稳定、分辨率高、选择性好; 
样本前处理经验丰富; 
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欢迎有中心碳代谢高通量靶标定量检测分析需求的老师垂询服务热线:400-664-9912。
 
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