【安捷倫】聚焦代謝,安捷倫 Seahorse 在病毒免疫研究中的應用

自新冠病毒爆發以來，治療新型肺炎的藥物和疫苗的研發進展備受矚目。近期，連續傳來好消息：浙江海正藥業股份有限公司研製的「法維拉韋」（原名「法匹拉韋」）正式獲得國家藥監局批准上市、美國吉列德的「瑞德西韋」目前正在武漢金銀潭醫院等 11 家醫院開展多中心臨床試驗驗證、康復者的血漿抗體被用於治療。在新藥研發過程中，非常關鍵的一環就是評估藥物引起的免疫反應，這將決定藥物能否上市，能否用來治療新型肺炎患者。

免疫是人體的一種重要的生理功能，人體依靠這種功能識別「自己」和「非己」成分，從而破壞和排斥進入人體的危險物質，如抗原、病原體（如病毒、細菌）和炎症刺激。人體免疫系統是人抵禦外來感染的防線，而淋巴細胞就是這道防線的哨兵。淋巴細胞包括 B 淋巴細胞和T淋巴細胞。B 淋巴細胞亦稱 B 細胞，主要功能是產生抗體，介導體液免疫應答；T 淋巴細胞亦稱 T 細胞，發揮細胞免疫及免疫調節等功能。這兩種淋巴細胞分工明確，共同殺傷和清除入侵體內的病原體。

代謝是細胞合成和分解營養物質的過程，是所有活細胞維持生存、增殖和行使功能的必須生理過程。近些年來，代謝在免疫系統中的作用被越來越多的研究者發現。代謝被視為調控免疫細胞功能與分化的主要因子。在 T 細胞分化過程中，初始 T 細胞、效應 T 細胞和記憶 T 細胞對於能量的需求各異，因此這三種 T 細胞依賴氧化磷酸化和糖酵解的能力各不相同。由此可見，代謝對於免疫系統的功能至關重要。Seahorse 技術作為檢測能量代謝的金標準，在病原體感染與免疫方向有著非常廣泛的應用，為科學家提供強有力的武器來研究病毒與免疫系統的攻防。

1、 巴爾病毒（EBV）誘導 B 細胞進行單碳代謝，驅動 B 細胞轉化

EBV 可以導致多種 B 細胞淋巴瘤。人們對 EBV 感染 B 細胞後，B 細胞如何快速增殖的機制知之甚少。劍橋大學和哈佛醫學院的科學家們 2019 年在 Cell Metabolism 上發表的文章為大家揭開了這個謎題[1]。他們的研究發現，EBV 會重塑 B 細胞的代謝通路，誘導 B 細胞進行單碳葉酸代謝，從而促進 B 細胞獲得營養，快速增殖。EBV 上調 B 細胞對外源絲氨酸的攝入，目的是為了支持線粒體的單碳代謝（圖 1 ）。他們的工作為開發新的線粒體單碳代謝抑制劑來治療 EBV 的感染的 B 淋巴瘤提供了理論基礎。

圖 1.  Seahorse 的結果表明，絲氨酸的缺失會降低新感染細胞的呼吸作用。（E）EBV 感染 4 天的原代 B 細胞在含有絲氨酸和缺乏絲氨酸的培養基中生長，測量氧氣消耗速率（OCR）。（F）根據圖E的結果計算得到的代謝參數。

2、 調控 CD8 陽性 T 細胞的代謝可以對抗流感病毒感染

CD8 陽性 T 細胞在不同的分化階段，由初始細胞向效應和記憶細胞轉換的過程中，線粒體的呼吸是被精密調控的。代謝狀態的改變可以滿足不同種類 CD8 陽性 T 細胞對能量的需求，有利於它們進行增殖。美國佛蒙特大學的 Champagne 等研究者於 2016 年在 Immunity 上發表成果，揭示 MCJ 蛋白是 CD8 陽性 T 細胞線粒體呼吸的負調控因子（圖 2）[2]。MCJ 缺陷的記憶 CD8 陽性 T 細胞對流感病毒的感染具有更強的保護能力。T 細胞代謝與流感病毒感染之間的關係由此可見一斑。此研究揭示 MCJ 可以作為一個治療靶點來增加 CD8 陽性 T 細胞的反應。

圖 2.  MCJ 缺陷的效應 CD8 陽性 T 細胞氧化磷酸化升高。野生型和 MCJ 缺陷的 CD8 陽性 T 細胞經 CD3 和 CD28 抗體激活 2 天。（A）細胞在無刺激培養基中靜置 4 小時後 ATP 的濃度。（B）Seahorse 線粒體壓力試驗測量靜置 12 小時的細胞的 OCR。（C）Seahorse 糖酵解壓力試驗測量細胞的 ECAR。

3、 愛滋病病毒（HIV）感染和抗逆轉錄病毒療法對免疫細胞功能的影響

大家對 HIV 應該很熟悉了。HIV 是一種逆轉錄病毒，它能夠攻擊人體免疫系統，在慢性 HIV 感染中，免疫細胞會變得越來越不正常，最終衰竭。2019 年發表在 JCI Insight 上的一篇文章探討了 HIV 感染以及相應的抗轉錄病毒療法對免疫細胞代謝的影響[3]。德國杜伊斯堡大學 Korencak 等人的研究結果表明，在 HIV 感染時，大多數免疫細胞的呼吸作用都會大幅降低，而這種代謝的變化與慢性免疫激活和衰竭是聯繫在一起的。當用抗逆轉錄病毒療法治療 HIV 感染的患者時，除了 CD4 陽性 T 細胞以外，其他類型的免疫細胞的呼吸作用可以得到恢復（圖 3 ）。這一最新的研究成果為評估抗病毒藥物對於人體免疫功能的副作用提供了一個很好的方法。

圖 3.  與 HIV 陰性的患者相比，HIV 陽性、未治療的患者和抗逆轉錄病毒療法治療的患者顯示基礎呼吸和最大呼吸降低。（A）Seahorse 線粒體壓力測試比較 HIV 陽性、未治療和治療患者，以及健康人的 CD4 陽性 T 細胞的基礎和最大線粒體呼吸。（B）Seahorse 糖酵解壓力測試結果表明，CD4 陽性 T 細胞的糖酵解能力在三組患者中沒有顯著性差異。

免疫代謝是一個快速增長的研究領域。代謝與免疫細胞的功能息息相關，為研究免疫生物學提供了新的策略。安捷倫 Seahorse 在免疫學研究中的應用囊括了免疫學的各個方面。

1. Wang, L. W. et al. Epstein-Barr-Virus-Induced One-Carbon Metabolism Drives B Cell Transformation. Cell Metab30, 539-555 e511, doi:10.1016/j.cmet.2019.06.003 (2019).

2. Champagne, D. P. et al. Fine-Tuning of CD8(+) T Cell Mitochondrial Metabolism by the Respiratory Chain Repressor MCJ Dictates Protection to Influenza Virus. Immunity44, 1299-1311, doi:10.1016/j.immuni.2016.02.018 (2016).

3. Korencak, M. et al. Effect of HIV infection and antiretroviral therapy on immune cellular functions. JCI Insight4, doi:10.1172/jci.insight.126675 (2019).

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