神经退行性疾病是神经元结构或功能逐渐丧失（包括神经元死亡），而导致功能障碍的一类疾病，包括帕金森病 (Parkinson’s disease，PD)、阿尔茨海默病 (Alzheimer’s disease，AD)、亨廷顿氏病 (Huntington disease，HD)、肌萎缩侧索硬化症 (Amyotrophic lateral sclerosis，ALS，俗称渐冻人症) 以及脊髓性肌萎缩症 (Spinal muscular atrophy，SMA) 等等。AD 及 PD 主要发生于中老年人，随着人口老龄化，AD 及 PD 的发病日益增多，而 HD 、ALS 及 SMA 等在各个年龄都可能发生。目前，这类疾病的病因尚不明确且无法治愈，严重威胁着人类健康的同时也造成了巨大的经济负担。
神经退行性疾病药物研发为什么要关注线粒体？
神经元功能的进行性下降和神经元的丧失(即突触丢失、树突修剪、神经元修复和恢复减少)是神经退行性疾病关键的生物学基础。神经元需要持续的能量供应，其中大部分用于突触传递。突触允许正常的大脑功能进行交流，而突触丢失与认知衰退具有z强相关性。大脑缺乏能量储备，神经元依靠持续的脑血流输送葡萄糖和氧气进行能量代谢。线粒体是细胞生命活动的能量工厂，作为细胞内能量生成的关键细胞器会参与细胞凋亡、自由基生产、脂质代谢等代谢过程。它的主要功能是进行氧化磷酸化 (OXPHOS) 合成 ATP，是糖类、脂肪和氨基酸等物质的最终氧化释放能量的场所，对维持生物体正常生理功能至关重要；神经元严重依赖于线粒体，由于其复杂的形态和高能量代谢要求，容易受到线粒体功能障碍的影响。因此，线粒体是神经退行性疾病的一个重要药物靶点，也是神经退行性疾病药物研发的热点。
线粒体氧化磷酸化功能评估为神经退行性疾病药物研发策略带来的重要参考
线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）系统是线粒体能量代谢的中心，是真核细胞能量产生的关键。支持OXPHOS系统运转的是电子传递链（ETC）的上五种酶复合体：复合体I、复合体II、复合体III和复合体IV，由复合体I-IV生成的质子梯度随后被复合体V所利用，催化ADP磷酸化生成ATP。OXPHOS系统中任何一个复合体发生异常或功能障碍都与多种神经退行性疾病的发生发展密切相关，也为神经退行性疾病药物研发策略带来了重要参考。
线粒体氧化磷酸化各复合体功能活性评估方法存在的困难
目前在神经退行性疾病药物研发过程中，线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）各复合体功能评估已成为神经退行性疾病药物研发策略的重要参考指标，但是如何快速评估分析OXPHOS各复合体的功能活性，是目前的技术难点。现在对OXPHOS各复合体功能活性的评估，主要是采用比色法，操作时间长，步骤多，只能对单个复合体功能活性进行终点法的评估，无法一次性实时动态分析评估同一样本各个复合体的功能活性。
解决方案：Oroboros O2k一次性同时快速检测氧化磷酸化各复合体功能活性
Oroboros O2k提供了一种独特的SUIT（底物-解偶联剂-抑制剂-滴定，Substrate-uncoupler-inhibitor-titration）检测方案来检测线粒体氧化磷酸化各复合体的功能活性：Oroboros O2k没有加药孔的限制，也没有试剂盒的限制，可以根据实验设计灵活的不限制的添加底物、抑制剂、解偶联剂及不同浓度的药物滴定，实现同一个样本一次性快速进行复合体I、复合体II、复合体IV、z大呼吸率、ATP合酶的功能活性检测，深度挖掘线粒体能量代谢信息，快速评估和表征线粒体氧化磷酸化各复合体功能活性，从而助力神经退行性疾病药物研发。
应用案例：褐藻糖胶通过增强鱼藤酮诱导的帕金森病大鼠模型中的线粒体功能来保护多巴胺能神经元
摘要：褐藻糖胶作为一种天然来源的海洋成分，具有广泛的药理活性，尤其是在抗炎、抗氧化应激等方面的突出作用，为寻找相应的新型药物提供了新的思路和作用靶点，使褐藻糖胶有可能成为预防和治疗神经退行性疾病的新型安全成分。神经退行性疾病帕金森病(PD)的多巴胺能变性中线粒体功能障碍被认为在起重要作用。然而，在疾病发展过程中没有有效的药物来保护线粒体免受功能障碍。在本研究中，研究并表征了褐藻糖胶对鱼藤酮诱导的 PD 大鼠模型中多巴胺系统和多巴胺能神经元线粒体功能的保护作用。作者发现长期使用褐藻糖胶治疗可显著逆转 PD 大鼠黑质多巴胺能神经元和纹状体多巴胺能纤维的丧失以及纹状体多巴胺水平的降低。此外，通过线粒体耗氧量检测到的线粒体呼吸功能在PD大鼠黑质中的表达降低，褐藻糖胶明显逆转。研究表明褐藻糖胶可用于 PD 治疗。
结果：通过O2k来评估线粒体呼吸功能，如图所示，单独使用褐藻糖胶对线粒体呼吸功能没有显著影响，而单独用鱼藤酮处理的大鼠线粒体呼吸功能显著降低。用O2k深入研究线粒体各复合体的功能，如图所示，鱼藤酮处理的大鼠的基础呼吸和中脑腹侧组织中的复合物I活性降低。140 mg/kg的褐藻糖胶显著增加了基础呼吸，也增加了复合体 I 的活性。为了确定褐藻糖胶是否可以防止鱼藤酮诱导的黑质多巴胺能神经元和纹状体多巴胺能纤维的损失，作者进行了免疫组织化学检测到用褐藻糖胶预处理减少了黑质致密部中神经元的损失，同时电镜观察位于中脑腹侧的神经元胞体中线粒体的超微结构，在用褐藻糖胶预处理后线粒体也相对正常。
参考文献：Li Zhang , et al. Fucoidan Protects Dopaminergic Neurons by Enhancing the Mitochondrial Function in a Rotenone-induced Rat Model of Parkinson’s Disease. Aging and disease. 2018, 9(4): 590-604.
