通过工程化能量计量方法模拟肿瘤线粒体能量代谢

肿瘤通过转移线粒体增强能量代谢并抑制免疫细胞功能，研究提出基于工程学原理的三项线粒体能量指标：功率密度、表面积功率密度和能量密度，通过仿真模型量化肿瘤与免疫细胞间的能量交换效应。

阿图罗·托齐

北德克萨斯大学物理系非线性科学中心，1155 Union Circle，#311427 Denton，TX 76203-5017，美国

摘要

癌症的进展与细胞能量代谢的改变有关，恶性细胞会重新编程其代谢机制以维持增殖、抵抗压力并适应营养限制。最近的研究表明，肿瘤会通过从周围的基质细胞或免疫细胞中获取功能性线粒体来主动重塑其微环境。线粒体的转移增强了肿瘤的生物能量代谢，同时削弱了免疫细胞的代谢能力，从而促进了肿瘤生长和免疫逃逸。这些交换在能量产出、效率和储存能量方面的影响无法通过传统的基于氧气消耗或糖酵解通量的检测方法来完全捕捉。我们提出了一种基于模拟的理论分析框架，将工程学中的能量指标应用于线粒体生物学研究。引入了三个理论上的、由模型定义的生物能量指标：线粒体功率密度（表示单位线粒体体积产生的ATP量）；线粒体表面功率密度（将ATP产生与内膜面积相关联）；以及线粒体能量密度（量化单位体积储存的化学自由能）。通过控制线粒体转移前后肿瘤细胞和免疫细胞群体的计算机模拟，我们研究了这些指标在特定假设下的变化情况。我们的模拟结果表明，与肿瘤相关的线粒体具有更高的能量产出，而与免疫系统相关的线粒体则表现出相应的能量减少。尽管这些指标目前仍处于探索性阶段，尚未经过验证，但它们为线粒体转移及其能量效应的实验研究提供了定量物理框架，包括尝试破坏这种转移过程并恢复免疫细胞的代谢能力。

章节摘录

引言

癌症的能量代谢特征在于恶性细胞能够在营养和氧气供应波动的情况下持续快速生长，这通常是通过重新编程代谢途径实现的（Loo等人，2015年；Lin等人，2019年；Xia等人，2021年；Pavlova、Zhu和Thompson，2022年；Kubik等人，2022年；Tufail、Jiang和Li，2024年）。线粒体在这一过程中起着核心作用，它们不仅产生ATP，还调节氧化还原平衡、生物合成前体物质和信号传导（Ryu等人，2024年）。线粒体的适应性...

工程学风格指标的生物学解释和适用范围

这里引入的工程学风格能量指标旨在作为物理意义上的描述符，以量化作用于线粒体的具体能量限制。它们的生物学相关性在于线粒体功能受到几何结构、膜组织和热力学原理的固有限制，这些因素都对能量产生、传递和储存施加了可测量的界限（见表2）。

材料与方法

我们详细介绍了一种基于模拟的方法，该方法整合了线粒体的几何结构、能量传递动力学以及肿瘤细胞和免疫细胞之间的能量储存和传递过程。参数是根据物理定律和文献中的生理范围确定的，功率密度、表面功率密度和能量密度是通过明确的数学公式计算得出的。我们的模拟旨在构建合成线粒体，赋予它们生物能量状态，并通过理论模型来传播这些状态。

结果

我们展示了细胞间线粒体转移前后线粒体生物能量指标的模拟结果。为了便于理解这些结果，我们首先提供了一个单线粒体的示例，该示例将几何结构、动力学和热力学参数与功率密度、表面功率密度和能量密度的具体数值联系起来。这个示例为解释模型如何反映模拟肿瘤细胞和免疫细胞的变化提供了基准。

实验验证与可证伪性

尽管我们的研究完全基于模拟，但所提出的线粒体能量指标是可以通过实验进行验证的。它们的科学价值不在于能否立即测量，而在于它们能够在统一的物理框架内生成明确、可检验的预测，将线粒体结构、能量通量和储存能力联系起来。

• a)
  线粒体功率密度可以通过高分辨率呼吸测定法或ATP测定法进行实验估算

结论

我们提出了一个概念框架，用物理上可解释的、有量纲的能量指标来重新表述线粒体生物能量代谢。与现有的基于途径、化学计量或约束驱动的方法不同，我们的方法将能量性能与线粒体的几何结构、膜组织和储存的化学能量直接联系起来。这提供了一种统一的能量语言，可以将能量产出、效率和储备能力整合在一个量化的框架中。

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Greiner和Thomas，2021年；Kaste和Yair，2024年；Pavlova等人，2022年；Schmidt等人，2021年；Smolders等人，2003年；Tufail等人，2024年。

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本研究未涉及任何由作者进行的人类参与者或动物实验。

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作者声明：如果本文得以发表，他将转让所有版权。作者保证本文内容原创，不侵犯任何第三方的版权或其他专有权利，未在其他期刊审议中，也未曾被发表过。

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在撰写本文时，作者使用了ChatGPT 4o作为AI辅助工具，帮助进行语言编辑、结构组织和表达清晰度的提升。所有的科学推理、数学公式、模型构建、模拟设计、数据分析和解释均由作者独立完成。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审查和修改，并对内容的完整性和原创性负全责。

致谢

无。