肺代謝活躍且高耗糖。相比其他器官，乳酸產量較高。肺中細胞消耗能量除滿足常規(guī)細胞活動外，還用于執(zhí)行如纖毛擺動和產生表面活性劑等專職任務。已有研究表明，能量代謝異常與多種呼吸系統(tǒng)疾病高度相關，如慢性阻塞性肺病 (COPD) 、哮喘、特發(fā)性肺纖維化 (IPF) 、肺動脈高壓 (PH) 等，這些疾病均與線粒體功能障有關。此外，糖酵解在纖維化過程中也起著決定性的作用。肺中細胞的異常代謝會導致如纖毛縮短、成纖維細胞激活、活性劑產生抑 制、細胞衰老或死亡等病理過程。通過代謝分析，不僅能夠看到肺中單個細胞群在健康和疾病狀態(tài)下，如何調節(jié)代謝進行反應或適應，還可進一步對代謝相關藥物進行藥效、毒性的驗證和評估。

安捷倫 Seahorse XF 能量代謝分析技術通過固態(tài)熒光傳感器對活細胞進行非侵入式代謝分析，使用氧氣消耗率 (OCR) 評估細胞線粒體功能，使用胞外酸化率 (ECAR) 來評估糖酵解功能。該系列產品能夠對貼壁細胞、懸浮細胞、原代細胞、分離的線粒體、少量組織等多種類型生物樣本進行實時監(jiān)測。下面介紹部分用于呼吸疾病的研究案例：

1

α- 硫辛酸激活小鼠的 AMPK/PGC1α 通路改善線粒體功能來減輕二氧化硅誘導的肺纖維化

Alpha-lipoic acid attenuates silica-induced pulmonary fibrosis by improving mitochondrial function via AMPK/PGC1α pathway activation in C57BL/6J mice (Chang M et al. Toxicol Lett. 2021 Oct 10;350:121-132.)

研究發(fā)現給矽肺病模型小鼠連續(xù)灌胃給藥 α- 硫辛酸 (ALA) 28 天，發(fā)現 ALA 減少了活性氧的產生，并保護線粒體免受二氧化硅引起的功能障礙，并抑 制細胞外基質沉積，減輕了肺纖維化。

通過肺組織實驗表明二氧化硅存在下線粒體不同程度受損，但加入 ALA 后可顯著改善線粒體功能

2

脂肪酸合酶下調促進了飲食誘發(fā)肥胖癥的小鼠急性肺損傷

Fatty acid synthase downregulation contributes to acute lung injury in murine diet-induced obesity (Plataki M et al. JCI Insight. 2019 Jul 9;5(15):e127823.)

研究發(fā)現高脂飲食誘導的肥胖會增加小鼠高氧急性肺損傷的嚴重程度，部分原因是降低了肺中脂肪酸合酶 (FASN) 水平。暴露于高氧的肥胖小鼠存活率顯著降低。研究表明 II 型肺泡上皮細胞中 FASN 表達降低導致線粒體生物能學改變和高氧暴露更嚴重的肺損傷，即使給予高脂飲食也是如此。

降低 AEC2 細胞中 FASN 水平后暴露于高氧（綠）嚴重損害了線粒體功能導致備用呼吸能力幾乎喪失，并導致糖酵解轉換能力受損

3

香 煙煙霧減少脂肪酸分解代謝，導致肺內皮細胞凋亡：對 COPD 發(fā)病機制的影響

Cigarette Smoke Reduces Fatty Acid Catabolism, Leading to Apoptosis in Lung Endothelial Cells: Implication for Pathogenesis of COPD (Gong J et al. Front Pharmacol. 2019 Aug 29;10:941.)

該研究使用香 煙煙霧 (CS) 提取物 (CSE) 處理原代小鼠肺微血管 ECs (PMVECs) ，發(fā)現與 COPD 患者的 PMVECs 一樣表現出線粒體呼吸受損且脂肪酸氧化 (FAO) 減少，而 FAO 減少與 CPT1a 減少相關。使用 etomoxir 抑 制 CPT1a 時加重了 CSE 誘導的細胞凋亡。

CSE 處理小鼠的 PMVECs 和 COPD 患者的 PMVECs 都表現出線粒體呼吸減少

CSE 處理后與 COPD 患者的 PMVECs 都表現 FAO 減少

補充左旋肉堿可以增強 CSE 處理的 FAO 以及緩解凋亡，而 Etomoxir 抑 制 FAO 加重凋亡

4

線粒體精氨酸代謝增加支持哮喘中的生物能量學

Increased mitochondrial arginine metabolism supports bioenergetics in asthma (Xu W et al. J Clin Invest. 2016 Jul 1;126(7):2465-81.)

哮喘患者上皮細胞內精氨酸水平比健康對照組高 3 倍，精氨酸酶 (ARG) 活性也會增加。通過線粒體中的 ARG2 進行的精氨酸代謝可以為哮喘中的高 NO 合成提供內源性精氨酸。該研究將哮喘定義為是一種精氨酸驅動的代謝紊亂。在該研究中，人支氣管上皮細胞系中的 ARG2 過表達加速了氧化代謝而抑 制了糖酵解活性，并通過 ARG2 的抑 制劑 BEC 得到證明。

ARG2 過表達的支氣管上皮細胞中，線粒體呼吸增加而糖酵解降低且通過 BEC 抑 制 ARG2 恢復

因此，研究呼吸系統(tǒng)各細胞的能量代謝，有助于更深入的了解肺部相關疾病的發(fā)展機制，如確定肺部不同細胞群的代謝表型，揭示表型改變是否會影響器官功能或導致疾病的發(fā)展；研究肺部產生大量乳酸的原因，對肺的生長和功能是否很重要；研究靶向 AMPK 此類影響細胞代謝的關鍵調節(jié)因子能否影響代謝來治療或緩解肺部疾病等。