揭示新陈代谢的秘密

细胞代谢是生物学的基本过程，在细胞的生长、增殖和分化中起着重要作用。持续监测葡萄糖消耗的新兴技术可以告诉我们很多关于细胞健康和命运的信息。

这类信息对一些研究工作至关重要。例如，葡萄糖代谢会影响癌症等疾病的进展，Kenan Moss说，他是北美PHC公司的细胞和基因治疗专家，该公司是日本PHC控股公司的子公司。“癌症的一个关键指标是不受控制的代谢增长，”他说。而在干细胞中，特定水平的代谢活动可以表明细胞何时即将分化，并且很快就能告诉我们更多信息。Moss说:“随着目前研究的进展，我们可能能够更好地了解代谢活动如何转化为分化，何时发生分化，以及会产生什么样的细胞系。”

从扩大我们对基本细胞生物学的理解，到开发新的治疗方法，如CAR-T疗法和其他癌症免疫疗法，以及基于干细胞的再生药物，对培养中细胞代谢活动的良好理解对于各种研究都很重要。对于细胞产品的制造商来说，关于葡萄糖摄取和乳酸生成的良好数据也将有助于优化代谢活动，使他们变得更高效，提高产量，并生产出更好的特征终端产品。

超过了快照

但莫斯说，目前研究葡萄糖代谢的方法还有很多需要改进的地方。为了获得新陈代谢如何随时间变化的数据，研究人员必须在一天中的特定时间定期对他们的细胞培养进行采样，这就带来了几个问题。

首先，它是劳动密集型的。实验室工作人员经常不得不在下班后和周末上班，在合适的时间收集样本。其次，它有污染细胞系的风险，因为它们必须反复从孵育期取出并处理以获得必要的样本。最后，这些重复的移除会对细胞培养造成冲击，因为它们从最佳生长环境移动到样品准备区域，然后再返回。研究人员必须在他们需要的数据量与收集数据所需的劳动、损害和污染风险之间取得平衡。

但最重要的是，无论你多久采样一次，你总是会丢失很多数据。每个单独的样本都告诉你在给定的时间内消耗了多少葡萄糖，这可以与下一个样本的数据进行比较，但没有关于这两点之间发生了什么的信息。莫斯说:“我们只能拍一张快照。”

更有用的方法是持续监测培养细胞的代谢活动，以获得它如何随时间变化的更精细的图像。PHC的研究人员正致力于此。“我们正在开发一种新技术，可以实时可视化活细胞的代谢状况，”北美PHC公司细胞和基因治疗业务总经理高桥明介(Ryosuke Takahashi)说。

Moss说，实时监测新陈代谢的能力将立即消除潜在的污染和劳动强度。然而，最大的好处将是持续监测将使科学发现成为可能。莫斯说，它不仅可以提供随时间变化的代谢活动的定量和定性数据，还可以提供这种活动的变化率，并将其比作速度和加速度之间的差异。“当你只取端点样本时，你会得到速度。通过持续监测，你可以同时获得速度和加速度，”他说。“与线性信息不同，我们可以获得活细胞性能率。我们可以看到葡萄糖消耗率随时间的变化。”

这将更好地了解细胞的活动和它们的整体健康状况，通过显示细胞在多大程度上以及在什么时候增加葡萄糖的使用来暗示它们的生长质量。例如，Moss说，周期性采样会显示，在几天内，细胞培养所吸收的葡萄糖总量不断增加，因为细胞数量在增加。但是，这些周期性的、离散的检查可能无法发现一些连续监测可以迅速发现的东西:随着时间的推移，消耗的速度实际上在下降，这表明单个细胞的消耗在减少——这是它们的环境质量正在恶化的潜在迹象，它们正变得不那么健康。莫斯说:“一开始你有多少葡萄糖，最后你有多少葡萄糖，以及你的培养物有多大，这一比例并不能告诉你这些细胞什么时候处于最佳状态。”“但当你观察随着时间的变化时，你就会发现这一点。”

更好、更细致的糖酵解数据也将有助于更好地理解其他密切相关但更复杂的细胞过程，如线粒体中的细胞过程，以及有关患病细胞和癌变生长的信息。它还可以阐明免疫治疗研究中抑制剂的活性以及不断变化的环境因素可能产生的影响。“所有这些都有助于更好地了解细胞的健康和性能。当我们能以一种更优的方式将其可视化时，我们就能更好地理解从初始代谢开始的许多不同的过程，”莫斯说。

初级保健的进展

高桥说，PHC的团队正在承担一项艰巨的技术任务，即开发可以在细胞培养的苛刻环境中长时间工作的电化学传感器，以及以稳定、可重复的方式解释数据以提供此类信息的软件算法。“这是我们面临的最大挑战。该团队正处于完成工作传感器的最后阶段。我们希望这种系统将有助于打开代谢研究的全新世界，为人类健康带来令人兴奋的潜力。”