癌症细胞代谢特征与靶向治疗策略的高考实验设计

实验目的

1. 探究癌细胞代谢特征（如Warburg效应、谷氨酰胺成瘾）与正常细胞的差异。

2. 验证靶向代谢通路的药物（如糖酵解抑制剂、谷氨酰胺酶抑制剂）对癌细胞增殖的抑制作用。

实验原理

1. 癌细胞代谢特征：

有氧糖酵解（Warburg效应）：即使在氧气充足条件下，癌细胞仍优先通过糖酵解产生能量，并生成大量乳酸。

谷氨酰胺成瘾：癌细胞依赖谷氨酰胺作为碳源和氮源，通过谷氨酰胺酶（GLS）分解谷氨酰胺以支持增殖。

2. 靶向治疗策略：通过抑制关键代谢酶（如己糖激酶、乳酸脱氢酶、谷氨酰胺酶）或阻断代谢物运输，干扰癌细胞能量供应和生物合成。

实验材料

1. 细胞：

人肝癌细胞系（如HepG2）与正常肝细胞（如LO2）。

2. 试剂：

葡萄糖类似物2-DG（糖酵解抑制剂）、CB-839（谷氨酰胺酶抑制剂）、DCA（二，抑制乳酸生成）。

细胞培养液（含高/低葡萄糖、谷氨酰胺）、CCK-8细胞增殖检测试剂盒、乳酸检测试剂盒、ATP检测试剂盒。

3. 设备：

CO₂培养箱、酶标仪、荧光显微镜。

实验步骤

1. 分组设计

| 组别 | 处理条件 | 目的 |

||--|-|

| 对照组1 | 正常肝细胞 + 完全培养基 | 观察正常细胞代谢特征 |

| 对照组2 | 肝癌细胞 + 完全培养基 | 观察癌细胞代谢特征 |

| 实验组1 | 肝癌细胞 + 低葡萄糖培养基 | 验证糖酵解依赖性 |

| 实验组2 | 肝癌细胞 + 2-DG处理 | 抑制糖酵解通路 |

| 实验组3 | 肝癌细胞 + CB-839处理 | 抑制谷氨酰胺代谢 |

| 实验组4 | 肝癌细胞 + 2-DG + CB-839 | 验证联合治疗的协同效应 |

2. 实验操作

细胞培养：各组细胞接种于96孔板，培养24小时。

药物处理：按分组加入相应药物（如2-DG浓度为10 mM，CB-839为1 μM）。

检测指标：

细胞增殖：CCK-8试剂检测吸光度（OD450 nm）。

乳酸水平：乳酸检测试剂盒（比色法）测定培养基中乳酸含量。

ATP含量：化学发光法检测细胞内ATP水平。

代谢酶活性：qPCR或Western blot检测己糖激酶（HK2）、乳酸脱氢酶（LDHA）、谷氨酰胺酶（GLS）表达。

3. 数据分析

代谢特征：对比肝癌细胞与正常细胞的乳酸产量、ATP水平及关键酶表达差异。

药物效果：计算各实验组细胞增殖抑制率，分析联合用药的协同指数（如Chou-Talalay法）。

预期结果与结论

1. 代谢特征：

肝癌细胞在完全培养基中乳酸产量显著高于正常细胞，验证Warburg效应。

谷氨酰胺代谢相关基因（GLS）在肝癌细胞中高表达。

2. 靶向治疗：

2-DG和CB-839单独处理可抑制肝癌细胞增殖，联合用药效果更显著。

低葡萄糖环境下，癌细胞增殖受抑制，显示其对糖酵解的依赖性。

高考实验题设计示例

综合题：

某研究小组为探究肝癌细胞的代谢特征，设计了以下实验：

1. 取肝癌细胞和正常肝细胞，分别置于含高葡萄糖的培养基中培养24小时，检测乳酸含量。

2. 向肝癌细胞培养基中加入不同浓度的2-DG，检测细胞活力（CCK-8法）。

问题：

（1）步骤1中，预期肝癌细胞的乳酸含量______（填“高于”或“低于”）正常细胞，原因是______。

（2）补充实验步骤：若要验证谷氨酰胺代谢的作用，需增设的处理组为______，检测指标为______。

（3）若2-DG浓度为10 mM时细胞活力为30%，说明其可能通过______机制抑制癌细胞增殖。

参考答案：

（1）高于；肝癌细胞通过有氧糖酵解（Warburg效应）大量生成乳酸。

（2）增设“肝癌细胞+CB-839处理组”，检测GLS酶活性及细胞增殖率。

（3）抑制糖酵解关键酶（如己糖激酶），减少ATP生成，阻断能量供应。

实验拓展与思考

1. 代谢异质性：不同癌细胞的代谢途径可能不同，可增加其他肿瘤细胞系（如乳腺癌MCF-7）对比。

2. 临床转化：靶向代谢药物常与化疗、免疫治疗联用，实验可进一步探索联合方案。

3. 局限性：体外实验无法完全模拟肿瘤微环境（如缺氧、免疫细胞互作），需结合动物模型验证。

通过此实验设计，学生可深入理解癌细胞代谢特征与靶向治疗的分子机制，同时掌握实验设计中的变量控制、数据分析和结论推导能力。