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客戶文章 | 應用整合分子失活劑揭示腫瘤生長過程中天冬氨酸的代謝來源

分類:公司動態   發布時間 2021-02-01   閱讀: 887
代謝組學

文章標題:Uncovering the Metabolic Origin of Aspartate for Tumor Growth Using an Integrated Molecular Deactivator
發表期刊:Nano Letters
發表時間:2020年12月21日
影響因子:11.238
合作客戶:中國人民解放軍總醫院第四醫學中心
百趣生物提供服務:LC-MS非靶標代謝組學+中心碳代謝高通量靶標定量

葡萄糖代謝重編程并表現出葡萄糖利用率升高是腫瘤細胞/組織的標志性特征。重編程后的葡萄糖代謝關聯到能量以及核酸、蛋白、脂質合成的前體代謝物等多個方面。其中天冬氨酸是腫瘤細胞生長的重要限制因素,但是天冬氨酸是否來源于重編程的葡萄糖代謝的科學問題仍然沒有得到解決。目前已經有很多惡性腫瘤相關的葡萄糖代謝研究,但普遍使用體外培養細胞作為模型,而體外培養細胞的代謝行為和生長于復雜微環境的體內腫瘤細胞是明顯不同的。

由于葡萄糖能夠維持腫瘤持續生長,因此阻斷葡萄糖的吸收是研究腫瘤生長機制的關鍵,F在已經發現各類具有抑制作用的小分子或抗體,能夠結合到細胞膜上的葡萄糖轉運蛋白上。但是已有抑制劑仍然存在一些問題,首先抑制劑無法抑制多種類型的葡萄糖轉運蛋白來阻止腫瘤細胞攝入葡萄糖;其次抑制劑通常有非選擇細胞毒性,對腫瘤周圍的健康細胞也會產生不良作用。

為研究體內腫瘤細胞葡萄糖代謝和天冬氨酸的聯系,并且避免非選擇性抑制劑的副作用,本文作者受到用于診斷治療腫瘤的納米分子材料的啟發,設計出整合分子失活劑(integrated molecular deactivator, iMD);窘Y構為鑭系上轉換納米核心,核心最表面覆蓋還原態氧化鉬薄層,薄層上修飾鏈接了魚精蛋白,伊紅(光敏劑)和磷酸葡萄糖(圖一)。

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圖一 整合分子失活劑iMD上轉換納米探針結構

iMD納米分子探針在偏酸性,缺氧的腫瘤細胞/組織微環境中性質穩定,而在正常生理環境中,還原態氧化鉬薄層則會崩解為超細納米顆粒使探針碎裂。因此iMD納米分子探針能夠實現選擇性地連接腫瘤組織,同時不影響周邊正常細胞。當給與980nm近紅外光輻照(NIR)時,分子探針的上轉換核心會激發伊紅產生單線態氧,使其周圍半徑3-4nm范圍被氧化失活。由于iMD探針作用的時空特異性,僅有和探針連接的葡萄糖轉運蛋白被失活,細胞膜上的其它蛋白不會受到影響。不同于傳統抑制劑,iMD探針對于各種類型的葡萄糖轉運蛋白均有顯著地抑制作用,當提供NIR輻照時能長效阻斷葡萄糖的吸收(圖二)。   


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圖二 iMD納米分子探針對各類葡萄糖轉運蛋白的特異抑制作用
實驗通過熒光葡萄糖類似物進行驗證,正常細胞攝入葡萄糖類似物發綠色熒光,阻斷吸收后不發光。

隨后通過非靶向代謝組實驗驗證,當應用iMD探針后,葡萄糖剝奪抑制了糖酵解和TCA循環,也減少了能量,碳水化合物,尤其是天冬氨酸的產生(圖三)。

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圖三  A 非靶向代謝組熱圖  B非靶代謝檢測中存在顯著差異的代謝途徑

由于常規非靶向代謝組檢測不能全面檢測到中心碳相關的代謝物,在后續實驗中增加了對照組和實驗組中心碳代謝物的靶向測定,發現TCA循環相關代謝物普遍出現了顯著性下降(圖四)。

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圖四 中心碳靶向實驗驗證TCA循環在葡萄糖阻斷后的抑制現象

結合非靶向數據(圖三B),結果表明谷氨酰胺和其它能量源并不能作為備選能量減輕對TCA循環的抑制,并進一步合成天冬氨酸。減少的天冬氨酸主要來自于上游的葡萄糖(圖五)。iMD探針可以通過抑制葡萄糖的吸收(不影響谷氨酰胺和其它能量源的吸收),減少天冬氨酸的轉化合成,最終影響蛋白以及核酸的合成,最終抑制腫瘤生長(圖六)。

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圖五 中心碳靶向實驗驗證腫瘤細胞中天冬氨酸來源主要為葡萄糖

圖六  iMD納米分子探針對腫瘤的抑制機制

在iMD探針抗腫瘤機制得到驗證后,開展的動物實驗也證明了該探針對于腫瘤生長有著顯著的抑制效果,長期效果優于葡萄糖轉運蛋白抑制劑WZB117(圖七)。

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圖七  iMD納米分子探針相比PBS對照組和其它抑制劑對腫瘤生長的抑制效果對比

背景知識:上轉換納米材料,如Yb、Tm、Ho或其他稀土元素摻雜的NaLnF4納米顆粒(Ln為鑭系元素),是一類吸收長波長(紅外光)、低能量光子,發射短波長(可見光)、高能量光子的新型熒光納米材料。其上轉換過程可將連續吸收的兩個或者多個光子,然后躍遷至基態產生一個高能量的發射光子,是一個非線性光學的反斯托克斯過程.其獨特的變頻能力使UCNPs具備很多的優點,如信噪比高、熒光壽命長、無光閃爍和光漂白、毒性低、發射帶窄以及有較大的穿透深度、對生物組織幾乎無損傷等顯著優點。

文章延伸


中心碳代謝(CCM)傳統意義上包括糖酵解途徑(EMP)、磷酸戊糖途徑(PPP)以及三羧酸循環途徑(TCA)。中心碳代謝是生物體所需能量的主要來源,并為體內其他代謝提供前體物質,且CCM中關鍵酶的酶活及蛋白表達水平具有遺傳分辨性,類似于表型,可用于大致的種屬分辨。鑒于CCM在所有生命體中的重要作用,研究其代謝物的表達具有非常重要的意義。液質聯用方法(LC-QQQ-MS)可以高通量檢測樣本中心碳代謝通路中各物質的含量,通過數據分析以尋找物質間的變化關系。

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