癌症与代谢的联系

细胞代谢分析

在癌症研究中的应用

测量肿瘤代谢的关键参数

代谢转换 众所周知，肿瘤细胞转变为促进增殖的代谢表型，比如向糖酵解转变（被称为Warburg效应），可用以下XF代谢表型图进行

阐述。

XF代谢转换实验鉴定出高侵略性的卵巢癌细胞能量水平较低。

10100

150

200

250

300

350

400

450

(mpH/10K cells)

OCR

(pm

o/m

in/1

0K c

ells

)

20 30 40 50 60 70 80

High OXPHOS

Low Energetic

High Energetic

High Glycolysis

SKOV3

SKOV3 Ip

OVCA420

OVCAR3

invasive degree

Oxy

gen

Con

sum

ptio

n R

ate

(OC

R)

Extracellular Acidification Rate (ECAR)Yang L., et al., (2014) Mol Syst Biol.

XF代谢转换实验表明2DG抑制糖酵解能够诱导套细胞淋巴瘤Reverse

Warburg的代谢表型，并且对TRAIL敏感，不同于葡萄糖存在的条件下代

谢向有氧糖酵解转变的Warburg原型（TRAIL抵抗）。

(mpH/min/106 cells)

BASA

L O

CR (p

mo/

min

/106 c

ells

)

00

200

400

600

800

1000

40 120 200 280

- 2DG

+ 2DG

00

200

400

600

800

1000

40 80 120 160

- Glucose

+ Glucose<- - - -

- - - - - - -

- - - -

TRAIL - sensitive

<- - - - - - - - - - - - - -

TRAIL - resistant

Oxy

gen

Con

sum

ptio

n R

ate

(OC

R)

Extracellular Acidification Rate (ECAR)Robinson GL., et al., (2012) Oncogene

代谢特征 肿瘤细胞的代谢特征反映肿瘤细胞改变生物能量需求来维持增殖。

XF糖酵解压力测试表明前列腺癌细胞的糖酵解能力比正常前列腺上皮

细胞高，从而鉴定出前列腺癌细胞对缓冲液疗法的敏感性。

00

5

10

15

20

25

30

Time (min)

ECA

R (m

pH/m

in/m

g pr

otei

n)

20 40 60 80 100

Prostate tumor cells Prostate epithelial cells

Glucose Oligomycin 2DG

Ibrahim-Hashim A, et al., (2011) J Cancer Sci Ther.

Extr

acel

lula

r Aci

dific

atio

n R

ate

(EC

AR

)

00

10

20

30

40

50

60

Time (min)

OCR

(pm

ol/m

in/u

g/pr

otei

n)

25 50 75 100 125 150 175 200

Control 25 µM 50 µM 75 µM 100 µM

2DG Oligomycin FCCP antimycin A

Mouradian M., et al., (2014) Mol Carcinog.

Oxy

gen

Con

sum

ptio

n R

ate

(OC

R)

XF细胞线粒体压力测试揭示乳腺癌细胞对多不饱和脂酸的剂量依赖敏感

性，如图所示线粒体呼吸参数均降低。

肿瘤细胞的代谢表型

肿瘤细胞所表现出的代谢表型反映了它们的代谢需求。科学家们正利用XF技术和XF压力测试来研究肿瘤细胞的代

谢变化以及代谢治疗的效果，从而更加深入地了解癌症。XF细胞线粒体压力测试检测线粒体呼吸的关键参数：呼

吸水平基础值、质子渗漏水平、ATP合成相关的呼吸值、呼吸能力最大值和呼吸能力储备值。XF糖酵解压力测试则

检测糖酵解功能的关键参数：糖酵解水平、糖酵解能力最大值和糖酵解能力储备值。

全球领先的代谢分析仪家族

XF实验揭示p53通路对逆转Warburg代谢起到关键作用，在鳞状癌细胞中

抑制突变的p53基因表达会降低糖酵解水平。

0-162

32226421615809

10031197139215861780

Time (min)

Extr

acel

luar

Aci

di�c

atio

n Ra

te (E

CAR

) %

of b

asel

ine

Gly

coly

sis

3317 50 83 116 14966 100 133 166

Glucose Oligomycin FCCPRotenone/

antimycin A

Wild type squamous carcinoma cell p53 knockdown

Zhou G., et al., (2014) Mol Cell. Wheaton W., et al., (2014) eLife

通过XF实验，科学家意外发现二甲双胍对结肠癌细胞线粒体复合物Ⅰ

有剂量依赖性抑制作用，并且与此细胞的增殖有相关性。

0 .25 .50 .75 1.0 mM

25

50

0

75

100

125

Colorectal cancer cells +Metformin

Oxy

gen

Cons

umpt

ion

Rate

(OCR

) (%

)Pe

rmea

biliz

ed C

ells

Cell#

(X10

6 )

0 24 48 72

0.51.0

0.0

1.52.02.5

Time (hrs)

0mM Metformin 0.5mM Metformin 1mM Metformin

久经验证的技术

应用于前沿科学研究

目前已有超过2000篇利用XF技术的

文献发表于Nature、Cell等顶级学术

期刊。科学家正积极运用XF技术鉴定

代谢表型与重编程来找到可作为治疗

靶标的代谢途径。

I

II

III

IV

Lactate

Pyruvate

Glucose

糖酵解

ECAR(胞外酸化速率)

线粒体呼吸

OCR(氧消耗速率)

肿瘤细胞中的信号通路及作用机制

癌症治疗方法中利用了细胞的快速增殖这一特点。但是这些疗法会产生一些不希望出现的或不可接受的副作用。利用

XF技术深入了解细胞代谢，能够对更多的选择性治疗药物进行研究和开发，不仅可以检测这些药物对肿瘤细胞的作

用，而且能够观察其整体效应。

肿瘤微环境 为了模拟肿瘤在体内的生长环境，研究者采取了一些方法，比如在缺氧条件下培养细胞或者模拟肿瘤培养多

细胞球体。XF技术可适应于各种培养条件，提供精确的、类似体内的生理学相关代谢数据。

底物偏好 肿瘤细胞改变对底物的偏好以维持快速增殖。XF技术为科学家提供了必要的工具，促进对底物偏好的研究，

从而深入了解肿瘤细胞的发展。

XF实验揭示脂肪酸氧化在Ras介导的成纤维细胞衰老中有

重要作用。

Quijano C, et al., (2012) Cell Cycle

0

50

100

150

200250

300

Oxy

gen

Cons

umpt

ion

Rate

(OCR

) (%

)

FA-dependent FA-independent

RASCTL0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

Oxy

gen

Cons

umpt

ion

Rate

(OCR

)Ba

sal O

CR (p

mol

es O

/min

)

Control Palmitate

Glucose Glutamine

CELLS GENE-ENRICHED FOR OXPHOS

NON-ACTIVATEDB CELLS

XF实验鉴定淋巴瘤细胞亚群的底物偏好。

Caro P., et al., (2012) Cancer Cell.

XF技术实现对3D培养的细胞进行精确的代谢测量，上图结果显示3D培养的结肠癌细胞呼吸能

力储备值升高。

XF技术揭示谷氨酰胺代谢是鼠乳腺癌细胞和人胰腺

癌细胞在缺氧条件下生存所必须的。

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

Oxy

gen

Cons

umpt

ion

Rate

(OCR

)(µ

mo/

e/h/

µl c

ells

)

Murine Breast Tumor Cells

DMEM

Human Pancreatic Cancer Cells

No glucose No glutamine

Fan J., et al., (2013) Mol Syst Biol. 2D cultures 3D cultures

0

10

20

30

40

50

60

70

Time (min)

Oxy

gen

Cons

unpt

ion

Rate

(OCR

) (pm

ol/m

in)

25 50 75 100 125 150 175 200

Oligomycin FCCPRotenone/

antimycin A

SpareRespiratoryCapacity

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Time (min)

30 60 90 120 150 180 210

Oligomycin FCCPRotenone/

antimycin A

SpareRespiratoryCapacity

Oxy

gen

Cons

unpt

ion

Rate

(OCR

) (pm

ol/m

in)

缺氧与多细胞球体 肿瘤具有异质性，并且处于一个由营养物和化学梯度 (O2，pH等)所决定的复杂的3D环境中。

肿瘤代谢特征测量金标准

癌症与代谢的联系

XF技术能够测量癌症的特征：致癌基因对代谢的重编程作用，肿瘤细胞的底物偏好和代谢表型。

与癌变相关的细胞增殖过程涉及致癌基因、原癌基因和突变的抑癌基因。细胞的快速增殖与代谢表型相关。为

了维持快速生长，肿瘤细胞将重编其代谢表型，在糖酵解和有氧呼吸之间转换。

PI3/AKT

GLUTAMINOLYSIS

PI3/AKT

HIF1

HIF1 LIPID SYNTHESIS

HIF1

p53

MYC

MYC

MYC

PYRUVATE

TCA

GLUCOSE

GLYCOLYSIS

基因与代谢的联系

GLUCOSE

GLUTAMATE

FATTY ACID

FATTY ACID

PYRUVATE

LACTATE CITRATE

Acetyl-CoA

NADH

GLUTAMINE

GLUTAMATE

ETC

GLUCOSE

RIBOSE

GLUTAMINE

LACTATE

TCA CYCLE

ATPOXPHOSO2

GLY

COLY

SIS

GLUCOSE

RIBOSE

GLUTAMINE

LACTATE

TCA CYCLE

ATPOXPHOSO2

GLY

COLY

SIS

OXPHOS Glycolysis

代谢表型与代谢的联系随着代谢表型的转变，肿瘤细胞会改变对底物的

偏好。例如，肿瘤细胞可能会增加谷氨酰胺代

谢，改变脂代谢，或者转变合成代谢与分解代谢

之间的平衡。

越来越多的研究表明，基因、底物和代谢表型之

间能够相互作用。XF技术及其金标准实验带来独

特的价值，帮助科学家研究癌症的特征和细胞代

谢改变背后的机制。

底物与代谢的联系

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XF线粒体底物分析线粒体功能评估

XF糖酵解压力测试曲线糖酵解功能完整评估

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

(m

pH/m

in)

Glucose

Glycolysis

Oligomycin 2-DG

Glycolytic Capacity

Glycolytic Reserve

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Time (minutes)

XF细胞线粒体压力测试曲线线粒体呼吸功能完整评估

FCCPRotenone & antimycin A

Proton Leak

00

40

80

120

160

200

240

280

320

360

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Non-mitochondrial Oxygen Consumption

Time (minutes)

Oxy

gen

Con

sum

ptio

n Ra

te (O

CR)

(p

mol

/min

)

Spare Capacity

ATPProduction

Oligomycin

Maximal Respiration

Basal Respiration

XF细胞能量代谢表型测试代谢表型和潜力

Oxy

gen

Con

sum

ptio

n Ra

te (O

CR)

代谢检测金标准测量细胞代谢关键参数

Extracellular Acidification Rate (ECAR)

Oxy

gen

Con

sum

ptio

n R

ate

(OC

R)

Glycolysis

XFp Cell Energy Phenotype Profile

Mito

chon

dria

l Res

pira

tion

Aerobic

Quiescent

Energetic

Glycolytic

BaselinePhenotype

StressedPhenotype

Metabolic Potentia

l

Glucose Pathway

% G

LC+G

LN+F

A Fu

el O

xida

tion

Glutamine Pathway Fatty Acid PathwayGlucose Pathway Glutamine Pathway Fatty Acid Pathway

% GLC+GLN+FA Oxidation

XF Mito Fuel Flex Test ProfileMitochondrial Function

100

80

60

40

20

0

Cap

acity Cap

acity

Cap

acity

Flexibility

DependencyDependency

Dependency

Flexibility

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© 安捷伦科技（中国）有限公司，20172017 年 4 月 17 日，中国出版

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