參考文獻(xiàn)：Teh JT, Zhu WL, Newgard CB, Casey PJ, Wang M (2019) Respiratory capacity and reserve predict cell sensitivity to mitochondria inhibitors: mechanism-based markers to identify metformin-responsive cancers. Mol Cancer Ther 18:693-705.

  二甲雙胍已被廣泛應(yīng)用于癌細(xì)胞代謝和抗癌潛力的研究。盡管有證據(jù)表明服用二甲雙胍的糖尿病患者的癌癥發(fā)生率顯著降低，但該藥物的II期癌癥試驗(yàn)未能達(dá)到理想效果，很可能是因?yàn)槿狈�基于分子機(jī)制的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。。為了驗(yàn)證二甲雙胍對(duì)癌癥有抑制作用，新加坡國(guó)立大學(xué)在基因敲除和藥理學(xué)抑制電子傳遞鏈組分來(lái)降低呼吸能力的研究中，發(fā)現(xiàn)線粒體呼吸能力和能量?jī)?chǔ)備能力（在癌細(xì)胞中差異很大）與體外及體內(nèi)的二甲雙胍抑制癌細(xì)胞生長(zhǎng)的敏感性密切相關(guān)。，研究者將實(shí)驗(yàn)研究擴(kuò)展到22個(gè)不同組織來(lái)源的癌細(xì)胞系，包括肺癌、胰腺癌、結(jié)腸癌、肝癌、乳腺癌、皮膚癌和卵巢癌細(xì)胞。這些癌癥細(xì)胞系對(duì)二甲雙胍抑制增殖表現(xiàn)出廣泛的敏感性（35倍），并且它們的敏感性似乎與組織來(lái)源無(wú)關(guān)。這些數(shù)據(jù)證實(shí)了二甲雙胍的癌細(xì)胞生長(zhǎng)抑制作用與癌細(xì)胞自身的最大呼吸能力和能量?jī)?chǔ)備能力具有一定的相關(guān)性。
實(shí)驗(yàn)一：該實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量22種人體癌細(xì)胞系發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞最大呼吸能力和細(xì)胞儲(chǔ)備能力與二甲雙胍的癌癥抑制作用具有相關(guān)性

  細(xì)胞基礎(chǔ)呼吸水平代表了一定條件下細(xì)胞的呼吸水平，但是不能表明細(xì)胞應(yīng)對(duì)一定壓力或者應(yīng)激的能力。而細(xì)胞最大呼吸能力（Max.resp.capacity RC）和細(xì)胞儲(chǔ)備能力（Respiratory reserve RR）則表現(xiàn)了細(xì)胞能夠承受刺激和應(yīng)對(duì)外界壓力的特性。研究者對(duì)22種人體癌細(xì)胞系的RR與RC分別進(jìn)行的監(jiān)測(cè)，并加入二甲雙胍觀察期間癌細(xì)胞的生長(zhǎng)情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：RR和RC能力較強(qiáng)的癌細(xì)胞，其二甲雙胍的抑制作用降低；而RR/RC能力較弱的癌細(xì)胞，其二甲雙胍的抑制作用較強(qiáng)。說(shuō)明癌細(xì)胞RR/RC的能力與二甲雙胍的抑制作用有較高的相關(guān)性。 圖1：細(xì)胞最大呼吸能力和細(xì)胞儲(chǔ)備能力與二甲雙胍對(duì)癌細(xì)胞生長(zhǎng)抑制作用具有較高的相關(guān)性（R2=0.601和R2=0.669），如圖A、圖B；而細(xì)胞的基礎(chǔ)呼吸代謝與二甲雙胍對(duì)癌細(xì)胞的抑制作用的相關(guān)性較低（R2=0.216），如圖C。

實(shí)驗(yàn)二：取生物體內(nèi)癌細(xì)胞組織樣本，監(jiān)測(cè)其RR/RC的呼吸能力，并同時(shí)觀測(cè)二甲雙胍對(duì)癌細(xì)胞生長(zhǎng)抑制作用，實(shí)驗(yàn)證明生物體內(nèi)的這種相關(guān)性與體外實(shí)驗(yàn)具有高度一致性

  上文中，研究者發(fā)現(xiàn)在體外癌細(xì)胞系中，二甲雙胍的癌細(xì)胞抑制作用與癌細(xì)胞自身的RR/RC的能力之間具有一定的相關(guān)性；那么，另一點(diǎn)非常重要的是，在生物體內(nèi)是否仍然具有相關(guān)性呢？研究者取活體動(dòng)物腫瘤組織的癌細(xì)胞（來(lái)自與體外相同的癌細(xì)胞系的），進(jìn)行呼吸代謝測(cè)量與細(xì)胞組織培養(yǎng)等研究。發(fā)現(xiàn)活體動(dòng)物的癌細(xì)胞RR/RC的能力與二甲雙胍對(duì)癌細(xì)胞的抑制作用相關(guān)性非常高，R2值分別為0.844和0.942。隨后研究者測(cè)試了在異種移植小鼠中的二甲雙胍抑制性與RR/RC的相關(guān)性。研究者選擇了H1299和MiaPaCa2兩種癌細(xì)胞系，這兩種癌癥在體外測(cè)試中相同的RR/RC能力對(duì)二甲雙胍的抑制敏感性差異較大。在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，二甲雙胍對(duì)源自MiaPaCa2的癌細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制比較明顯，但對(duì)相同方法治療的源自H1299的癌細(xì)胞抑制作用不明顯，這與體外測(cè)量的結(jié)果相同。因此，這些研究表明，二甲雙胍治療癌癥的功效可從開(kāi)始治療前的腫瘤組織RR/RC的評(píng)估中預(yù)測(cè)。

圖2：利用異種移植腫瘤樣品技術(shù)，來(lái)研究體內(nèi)癌細(xì)胞的呼吸特性和二甲雙胍癌細(xì)胞生長(zhǎng)抑制作用之間的相關(guān)性。A圖表示異種移植癌細(xì)胞組織的呼吸測(cè)量方法和測(cè)量流程，以及對(duì)癌細(xì)胞的最大呼吸能力的測(cè)量。圖B，異種移植癌細(xì)胞與體外相同癌細(xì)胞系的最大呼吸能力的相關(guān)性，二者相關(guān)性較高（R2=0.844）；圖C，異種移植癌細(xì)胞與體外相同癌細(xì)胞系的能量?jī)?chǔ)備能力相關(guān)性較高（R2=0.942）；圖D和E，分別測(cè)量來(lái)自MiaPaCa2和H1299的異種移植癌細(xì)胞對(duì)于二甲雙胍癌細(xì)胞抑制作用的敏感性，與對(duì)照組相比，二甲雙胍對(duì)MiaPaCa2異種移植癌細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制作用較明顯，而對(duì)H1299異種移植癌細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制作用幾乎沒(méi)有效果。這與體外實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相一致

實(shí)驗(yàn)三、應(yīng)用基因敲除技術(shù)和藥理學(xué)技術(shù)降低癌細(xì)胞的RR/RC能力，二甲雙胍的抑制癌細(xì)胞生長(zhǎng)的能力顯著增強(qiáng)

  了解了癌細(xì)胞的RR/RC能力與二甲雙胍的抑制性具有直接關(guān)聯(lián)，那么即可通過(guò)降低癌細(xì)胞的RR/RC，使得二甲雙胍的抑制能力得到提高。為此，研究者通過(guò)使用shRNA的低病毒滴度方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)基因敲除，降低了H1299癌細(xì)胞中復(fù)合物I蛋白NDUFAF7的表達(dá)，致使癌細(xì)胞的RR/RC的降低。將二甲雙胍作用于基因敲除后的癌細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞的生長(zhǎng)明顯低于正常癌細(xì)胞。同理，使用基因敲除方法降低了復(fù)合物III蛋白UQCRFS1的表達(dá)，二甲雙胍的抑制作用明顯增強(qiáng)。

  除了應(yīng)用基因敲除技術(shù)，使電子傳遞鏈的蛋白復(fù)合物表達(dá)降低來(lái)導(dǎo)致癌細(xì)胞的RR/RC能力降低外，研究者還通過(guò)藥理學(xué)方法降低了癌細(xì)胞的RR/RC能力。魚(yú)藤酮可阻斷氧化磷酸化過(guò)程中的電子傳遞，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞的呼吸能力降低。經(jīng)魚(yú)藤酮處理的H1299癌細(xì)胞表現(xiàn)出對(duì)二甲雙胍抑制作用更加敏感�？傊�，無(wú)論是基因敲除技術(shù)還是藥理學(xué)方法，降低了癌細(xì)胞的RR/RC能力，二甲雙胍對(duì)癌細(xì)胞生長(zhǎng)的抑制作用將得到增強(qiáng) 圖3. 利用基因敲除技術(shù)，分別降低了電子傳遞鏈上兩個(gè)蛋白復(fù)合物上的表達(dá)，A圖可見(jiàn)不同劑量的基因敲除技術(shù)中，以sh-Scramble為對(duì)照組，隨著sh-NDUFAF7的表達(dá)量減少，癌細(xì)胞的最大呼吸能力和能量?jī)?chǔ)備能力均降低，加入二甲雙胍后，圖B可見(jiàn)癌細(xì)胞因sh-NDUFAF7的表達(dá)減少，引起RR/RC能力降低，導(dǎo)致癌細(xì)胞的生長(zhǎng)能力下降；同理，基因敲除技術(shù)影響sh-UQCRFS1蛋白的表達(dá)（圖C、圖D），其結(jié)果與圖A&B結(jié)果一致。圖E、F為藥物魚(yú)藤酮減小細(xì)胞的RR/RC能力，隨著魚(yú)藤酮含量的增加，二甲雙胍對(duì)細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制能力增強(qiáng)。

實(shí)驗(yàn)四、實(shí)驗(yàn)通過(guò)惡性轉(zhuǎn)化將正常細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)榘┌Y細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)癌癥細(xì)胞的RR/RC能力變低，實(shí)驗(yàn)證明RR/RC能力越低，二甲雙胍對(duì)癌細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制能力越強(qiáng)。

  實(shí)驗(yàn)通過(guò)基因敲除腫瘤抑制因子p53和引入KRAS致癌突變體等方法，將正常人成纖維BJ細(xì)胞轉(zhuǎn)化為癌細(xì)胞，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知癌細(xì)胞較正常良性細(xì)胞的RR/RC能力降低，實(shí)驗(yàn)證明RR/RC能力越低，二甲雙胍對(duì)癌細(xì)胞的生長(zhǎng)抑制能力越強(qiáng)。

圖4.本實(shí)驗(yàn)中，加入基因敲除腫瘤抑制因子p53和引入KRAS后，圖A可見(jiàn)與對(duì)照組相比，p53的表達(dá)降低、KRAS的含量增加；圖B中實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組相比，其最大呼吸能力與能量?jī)?chǔ)備能力明顯降低；圖C加入二甲雙胍后，觀察癌細(xì)胞的生長(zhǎng)情況，實(shí)驗(yàn)組的癌細(xì)胞生長(zhǎng)情況明顯少于對(duì)照組。

  癌細(xì)胞在腫瘤發(fā)生過(guò)程中改變了其代謝程序。奧地利OROBOROS O2k細(xì)胞能量代謝測(cè)量與分析系統(tǒng)在腫瘤癌癥等代謝性疾病領(lǐng)域的研究中，為研究癌細(xì)胞的生理特性，尋求治療方案等提供理論依據(jù)。以上實(shí)驗(yàn)中的癌細(xì)胞的細(xì)胞呼吸實(shí)驗(yàn)，是利用OROBOROS O2k細(xì)胞能量代謝分析儀完成的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得細(xì)胞最大呼吸能力（Max.resp.capacity RC）和能量?jī)?chǔ)備能力（RR），為科研工作者在該實(shí)驗(yàn)中提供的必要的數(shù)據(jù)支持，并未臨床靶向治療提供了新的依據(jù)。