技术展示丨运用高内涵荧光成像和单细胞追踪分析描绘AMPK活性在瓦博格耐药性中的动态变化和调控机制

糖酵解在索拉非尼诱导的 Warburg 效应中维持 AMPK 激活（Glycolysis maintains AMPK activation in sorafenib-induced Warburg effect)。文章已经被Molecular Metabolism接收，期刊为SCI收录，2022年影响因子8.1，JCR分区Q1区，中科院SCI分区医学2区。通讯作者为王欢，北京沃锶达细胞技术有限公司总经理兼首席科学家。

01技术亮点/展示

- 公司技术亮点 -

可提供基于细胞系或人源心肌细胞的高内涵荧光成像和单细胞追踪分析服务 Vercelldo technological laboratory can provide service of high content fluoresence imaging and single cell analysis based on a number of different cell lines or human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes.

- 公司技术展示 -

运用高内涵荧光成像和单细胞追踪分析描绘AMPK活性在瓦博格耐药性中的动态变化和调控机制

02研究背景、亮点

- 研究亮点 -

在不同的培养条件下，AMPK 的激活动态与细胞对索拉非尼（肝细胞癌 (Hepatocellular carcinoma, HCC) 的一线治 疗方法）的耐药性存在关联。

设计细胞表达 AMPK 活性生物传感器，在索拉非尼诱导的耐药期间以高通量方式监测单个 HCC 细胞中的 AMPK 激活。

索拉非尼诱导 AMPK 短暂激活，其持续时间取决于葡萄糖。抑 制糖酵解可缩短 AMPK 激活；而增加糖酵解会增加其激活持续时间。

AMPK 的激活持续时间对于癌症逃逸治 疗很重要，而糖酵解是 AMPK 激活持续时间的关键调节因子。

- 背景 -

肝细胞癌（HCC）是世界第二大致命癌症。索拉非尼作为治 疗HCC的一线药物，仍会诱导瓦博格效应产生耐药性，即癌细胞在氧气充足的情况下仍使用糖酵解产能。AMP激活蛋白激酶（AMPK）是一种异三聚体蛋白激酶，起到感知和守护能量稳态的作用。AMPK的激活是索拉非尼耐药性的关键，同时它也是许多治  疗糖尿病、肥胖症和癌症的药物靶点。对AMPK在空间和时间上不同的调控决定了其不同的功能，不同信号会引起AMPK发生不同的区室化从而使其对目标进行选择性的调控。然而对AMPK时间维度的研究相较于空间维度并不多，本研究基于荧光共振能量转移原理（FRET），高内涵荧光成像和单细胞追踪分析技术，在时间维度上研究了不同糖浓度对AMPK激活时长的影响，为肝癌细胞产生糖酵解增加的耐药性提供了新的机制研究。

- 研究方法和目的 -

本研究构建了稳定表达AMPK活性生物报告器（AMPKAR2）的肝癌细胞系（Huh7-AMPKAR2），并基于荧光共振能量转移原理，利用高内涵成像技术，检测单细胞内AMPK活性，研究AMPK活性在时间维度上随药物诱导的瓦博格效应的发生而产生的变化。

03重要发现

AMPK激活时间在高糖浓度诱导索拉非尼耐药性中更长Huh7—AMPKAR2细胞在高糖条件下（25mM）对索拉非尼表现出更高水平耐药性，细胞活力相比于低糖条件（0或2.5）下增加了2-4倍，细胞死亡比例相比于无糖条件也更低（图1 A、C、D）。通过FRET和高内涵成像分析追踪AMPK指数随时间（加药前后）变化，发现在 0、2.5、5 和 25 mM 葡萄糖条件下，AMPK 对索拉非尼的激活持续时间平均为 90.4、122.6、127.4 和 141.9 分钟，显著受到糖浓度的影响，且在高糖浓度中激活时间更长（图1 B、E-J）。

04糖酵解高/低糖下AMPK对索拉非尼的激活

- 糖酵解对于维持在高糖条件下AMPK对索拉非尼的激活是必要的 -

2-脱氧葡萄糖（2-DG）是己糖激酶II的竞争性抑 制剂，而己糖激酶II催化了糖酵解的第 一步，通过加入2-DG可以抑 制糖酵解的发生。研究通过试验发现，在高糖浓度下，细胞外酸化率（ECAR）在加入2-DG后急剧下降，证明了其对糖酵解的抑 制作用（图2A-B）。进一步，通过高内涵成像分析，研究发现在索拉非尼预处理后，2-DG的加入显著缩短了AMPK的激活时长（图2C-G）。Western Blot的实验结果与FRET的实验结果相一致（图2H-J）。

- 糖酵解足以在低糖浓度下维持索拉非尼对AMPK的激活 -

葡萄糖的补充显著提升了在无糖条件下培养的Huh7-AMPKAR2细胞的ECAR，证明了葡萄糖的补充增加了细胞的糖酵解活动（图3 A-B）。当Huh7-AMPKAR2在低糖浓度（2.5mM）下进行索拉非尼的预处理时，只有3.6%的细胞在整个高内涵成像时间内持续AMPK的激活。而在分别补充12.5mM和25mM葡萄糖后，FRET分析结果显示持续激活AMPK的细胞比例分别增加到了45%和71%，平均激活时长从91.1分钟分别增加到了159.8分钟和180.6分钟（图3C-G）。Western Blot的实验结果与FRET的实验结果相一致（图 3 I-J）。葡萄糖和索拉非尼的组合相较于单独索拉非尼提高了细胞的活性（图3H）。

CONCLUSION

结论

肝癌细胞的存活在高糖索拉非尼的处理下显著高于低糖药物的处理，说明细胞在高糖中具有更强的对索拉非尼的耐药性。AMPK被索拉非尼的激活同样受到糖浓度的影响，高糖浓度延长了AMPK的激活时长。糖酵解对高糖浓度条件下AMPK的持续激活起到关键作用，抑 制糖酵解将缩短AMPK的激活时间；同时糖酵解足以在低糖浓度下维持AMPK的激活，增加糖酵解会延长AMPK的激活时间。所以，糖酵解是调节索拉非尼诱导的瓦博格效应中AMPK激活的关键因子，而本研究通过高内涵荧光成像和单细胞追踪分析S次观测到AMPK在耐药性产生过程中的动态变化和单细胞异质性反应；不仅具有对药物药理研究的科学价值，也将推动高通量细胞内激酶活性检测技术在药物研发中的应用。

Sijia Guo, Chenhao Zhang, Haiou Zeng, Yantao Xia, Chenghao Weng, Yichen Deng, Luda Wang, Huan Wang, Glycolysis maintains AMPK activation in sorafenib-induced Warburg effect, Molecular Metabolism, 2023, 101796, ISSN 2212-8778,

https://doi.org/10.1016/j.molmet.2023.101796

(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2212877823001308)

作者：陈章言