癌细胞与正常细胞的微细代谢差异

     2015年5月5日，华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室、药学院杨弋团队在国际权威杂志Cell Metabolism（Cell子刊，IF:16.7）发表了题为“SoNar, a highly responsive NAD+/NADH sensor, allows high-throughput metabolic screening of anti-tumor agents”的研究性论文。据统计，中国学者近10年在该杂志平均每年仅发表约2篇研究性论文，这也是杨弋团队继2011年在Cell Metabolism、2012年在Nature Methods后，再次在国际权威学术期刊上发表研究性论文。在生命科学领域，Cell Metabolism《细胞—代谢》是除Cell、Nature和Science之外顶级杂志之一。

      据介绍，该项研究工作量巨大，仅数据图像就接近180幅。该成果是在杨弋教授的指导下，由青年教师赵玉政和呼庆勋等研究生历时5年完成。

      癌细胞代谢是癌症研究的前沿热点领域。近年来，人们发现癌细胞代谢的改变是肿瘤发生与生长的根本原因。通过控制癌细胞的异常代谢来杀伤、抑制癌细胞，或使之回到正常细胞，可有效抑制癌症发生的进程。然而，利用传统生化分析方法来研究细胞代谢活动并搜寻抗癌药物，存在着效率低、成本高的技术瓶颈。那么，有什么办法可以像孙悟空的火眼金睛一样，直接看到细胞的代谢过程，并鉴别出癌细胞呢？NAD/NADH是表征细胞代谢失衡的最佳参数，癌细胞有着与众不同的NADH水平。

      2011年，杨弋团队报道了针对核心代谢物NADH的系列遗传编码荧光探针Frex，实现了在活细胞及各种亚细胞结构中对NADH分子的实时动态、特异性的检测与成像（Cell Metabolism 2011, 14, 555-566；Methods in Enzymology 2014, 542, 349-367；Current Opinion in Biotechnology 2015, 31, 86-92）。现在，该团队又报道了可同时检测NAD，NADH及其比率的第二代的细胞代谢荧光探针SoNar。SoNar基于合成生物学方法构建，具有高灵敏度、高亮度和巨大动态范围，就像火眼金睛一样，可察觉到癌细胞与正常细胞的微细代谢差异，真正实现在单细胞和活体动物水平对细胞代谢状态的高时空分辨检测和成像。利用SoNar，该团队进行了基于细胞代谢的首次活细胞水平高通量化合物筛选，鉴定了几百个调节细胞代谢活性的化合物，其中化合物KP372-1可在低浓度下广泛杀伤不同人体组织来源的癌细胞。利用代谢组学、化学和遗传学筛选等技术，最终鉴定了KP372-1是一种结构新颖的氧化还原循环底物，在癌细胞中特异高表达的NQO1酶催化下产生极度氧化应激，进而杀灭癌细胞。该化合物比目前已进入临床II期NQO1依赖的经典抗癌化合物β-拉帕醌(β-lapachone)具有更高的口服利用度、更长的药物作用半衰期和更低的药效浓度。这项研究建立的具有自有知识产权的药物筛选技术将为药物发现提供新的技术平台和依据，对于我国药物研发的自主创新和广大人民生命健康具有重大意义。此外，SoNar探针还可以广泛应用于细胞代谢相关的活细胞与活体实时监测，为人们更好地了解物质与能量代谢的调节机制提供重要的创新工具与手段。

      参与该项研究工作的还有清华大学浙江长三角研究院、上海交通大学医学院及哈佛大学医学院的科学家。该项研究受到了 “973”计划、国家自然科学基金、上海市科委项目、上海市“曙光”计划、“111”计划、生物反应器工程国家重点实验室基金、教育部基本科研业务费、高等学校博士学科点专项科研基金等经费资助。