從蝦紅素到粒線體：我的博士研究如何從 PGC-1α 探索骨骼肌能量代謝
從蝦紅素到粒線體
探索骨骼肌能量代謝
提到蝦紅素（Astaxanthin），許多人首先想到的是「抗氧化」。
但在我於京都府立醫科大學進行博士研究時，我真正想回答的問題，其實不只是蝦紅素具有多少抗氧化能力，而是更進一步：
而這個作用背後，又可能涉及什麼樣的細胞與分子機制？
這個問題，最後把我們的研究帶到了粒線體（Mitochondria），以及一個在今天的運動、代謝與老化研究中仍然非常重要的調節因子：
PGC-1α
我的博士研究：Astaxanthin × PGC-1α × 骨骼肌
這項研究後來成為我的博士學位主論文，並於 2014 年發表於 Journal of Clinical Biochemistry and Nutrition。
DOI: 10.3164/jcbn.13-110 · PMID: 24688216
研究使用運動小鼠模型，希望進一步理解蝦紅素攝取與運動時脂質代謝之間可能存在的分子機制。
真正吸引我們注意的，就是 PGC-1α（Peroxisome proliferator-activated receptor gamma coactivator-1 alpha）。
為什麼 PGC-1α 如此重要？
人體的骨骼肌每天都需要大量能量。不論是走路、跑步、運動， 甚至只是維持基本肌肉活動，肌肉細胞都必須持續產生 ATP。
而負責大量有氧能量產生的核心胞器，就是 粒線體（Mitochondria）。
PGC-1α 則可以理解為細胞內調控粒線體生合成與氧化代謝的重要 「調節樞紐」。
因此，我們當時提出的核心問題是：
我們怎麼進行研究？
實驗使用 ICR 雄性小鼠。研究動物分為一般飲食與含 0.02% astaxanthin 的飲食組，持續兩週， 再進一步區分為安靜狀態與運動條件。
運動後，我們不只觀察血液中的代謝指標，也直接取得骨骼肌， 分析包括：
我們不是只想知道「表現有沒有改變」，
而是想知道：細胞裡究竟發生了什麼？
第一個重要發現：PGC-1α 與粒線體相關蛋白
在這個動物實驗條件下，攝取蝦紅素組的小鼠， 骨骼肌中的 PGC-1α 蛋白表現增加。
同時，與 PGC-1α 路徑相關的 Cytochrome c 與 FNDC5 也呈現增加。
這個結果使研究方向從單純討論「抗氧化能力」， 進一步走向一個更深入的問題：
Cytochrome c：研究真正走進粒線體
Cytochrome c 是粒線體電子傳遞鏈的重要組成之一。
因此，當研究同時觀察到 PGC-1α 與 Cytochrome c 的變化時， 意義便不再只是單一蛋白質的改變，而開始指向 粒線體有氧代謝相關系統。
FNDC5：另一條值得追蹤的研究路徑
FNDC5 同樣受到 PGC-1α 調控，後來也因與肌肉分泌因子 irisin 的研究而受到關注。
因此十多年後重新回頭看這篇博士研究，可以發現真正留下來的， 並不只是「蝦紅素」這一個成分，而是一整條研究脈絡：
PGC-1α → 粒線體 → 骨骼肌 → 能量代謝
運動時的能量利用，也出現值得注意的變化
除了蛋白質表現之外，我們也分析運動後的血漿游離脂肪酸 （NEFA）以及肌肉間質 pH。
在研究條件下，蝦紅素組運動後的血漿 NEFA 較低， 同時運動所造成的肌肉間質 pH 下降幅度受到抑制。
這裡需要特別注意： 血液中的脂肪酸下降，並不等於「脂肪變少」或「減肥」。
運動期間，脂肪組織會釋放脂肪酸進入循環， 骨骼肌也會攝取脂肪酸，送入粒線體進行氧化。 因此我們當時討論的是 運動期間能量基質利用可能發生的改變。
這篇研究真正重要的地方，不只是蝦紅素
十多年後重新看自己的博士研究，我認為最有意義的並不是得到一句：
「蝦紅素對於身體很好。」
科學真正值得追問的是：
我們當年的研究將焦點帶向：
PGC-1α → 粒線體 → 骨骼肌 → 能量代謝
後續研究開始走向 肌肉老化 與 肌少症
隨著老化研究逐漸深入，研究者開始注意到： 肌肉老化不只是肌肉量減少。
粒線體功能、能量代謝、氧化壓力以及 PGC-1α 相關調控， 都逐漸進入肌肉老化與肌少症（Sarcopenia）的研究框架。
2020 年，一篇專門討論 astaxanthin 與骨骼肌健康的綜述， 在探討肌少症、粒線體生成及 PGC-1α 時， 直接引用了我們 2014 年的研究。
這篇綜述將我們當年在運動小鼠中觀察到的 PGC-1α、 骨骼肌能量代謝與脂質利用結果， 放進更大的肌肉退化與粒線體研究脈絡中討論。
從動物機制研究，逐漸走向老年人體研究
後續研究也逐漸進入人體運動生理領域。
2021 年發表的一項隨機對照研究， 針對 65–82 歲、共 42 位受試者， 研究 astaxanthin 搭配三個月耐力訓練後的代謝適應。
研究觀察到 astaxanthin 組的特定肌肉耐力由平均約 353 次增加至 472 次收縮， 並觀察脂肪氧化及運動效率等代謝指標。
不同研究具有不同研究對象、介入方式、配方與設計。 真正值得注意的是：PGC-1α、粒線體、脂質利用與運動適應， 持續成為後續研究的重要問題。
十年之後，這篇研究仍被放在粒線體研究中討論
2024 年一篇探討食品活性成分與粒線體功能障礙的研究綜述， 再次引用我們 2014 年的研究。
文中直接整理了當年所觀察到的 PGC-1α、Cytochrome c 與 FNDC5 變化，並將其放在骨骼肌粒線體功能、脂肪酸氧化與能量代謝的架構中討論。
十多年前，我們研究的是蝦紅素。
但真正一路延續下來的科學問題，其實是：
而這個問題，最後都會回到一個核心：
粒線體
從博士研究開始，我現在更關心的是「粒線體健康」
粒線體並不只存在於肌肉。 幾乎所有需要大量能量的組織，都高度依賴粒線體功能。
隨著研究逐漸深入， PGC-1α、NAD⁺、NMN、CoQ10、脂肪酸氧化、運動與骨骼肌老化 看似是不同的題目，實際上許多問題最終都會在 粒線體生物學（Mitochondrial Biology） 這個領域交會。
↓
PGC-1α
↓
粒線體與骨骼肌能量代謝
↓
運動適應與肌肉老化
↓
NAD⁺ ・ NMN ・ CoQ10 ・ Mitochondrial Health
科學研究的價值，不只是得到一個答案
從 2014 年發表博士研究到今天， 我對這項研究最大的感受反而是：
而是開啟下一個問題。
我們當時從蝦紅素開始。
然後看到了 PGC-1α；從 PGC-1α 看到了粒線體； 從粒線體延伸到骨骼肌能量代謝。
而後續研究，則逐漸進入肌肉老化、肌少症以及人體運動適應。
因此，這篇文章不只是一次博士研究的回顧， 也是輝雄生研接下來一系列 「粒線體與能量代謝」 科學內容的起點。
劉 庠宏
京都府立醫科大學 醫學博士
參考文獻
1. Liu PH, Aoi W, Takami M, et al. The astaxanthin-induced improvement in lipid metabolism during exercise is mediated by a PGC-1α increase in skeletal muscle. J Clin Biochem Nutr. 2014;54(2):86–89.
2. Wong SK, Ima-Nirwana S, Chin KY. Effects of astaxanthin on the protection of muscle health. Experimental and Therapeutic Medicine. 2020.
3. Liu SZ, Valencia AP, VanDoren MP, et al. Astaxanthin supplementation enhances metabolic adaptation with aerobic training in the elderly. Physiological Reports. 2021;9(11):e14887.
4. Targeting Mitochondrial Dysfunction for the Prevention and Treatment of Metabolic Disease by Bioactive Food Components. Journal of Lipid and Atherosclerosis. 2024.
本文主要介紹作者於京都府立醫科大學進行之博士研究， 並整理相關後續學術研究發展。原始研究為動物實驗； 文中其他研究亦具有不同研究設計、受試族群、介入方式及研究限制。 動物研究結果不能直接推論為人體效果，不同研究結果亦不能直接套用於特定食品或產品。 本文目的為學術研究與營養科學教育，不作為疾病預防、診斷或治療之依據， 亦不代表特定產品具有本文研究所述之作用。
