Cell Metabolism | 趙玉政等人開發超靈敏、高響應的乳酸傳感器_風聞

​乳酸最初被認為是糖酵解產生的廢物;然而，它現在已經成為一種主要的代謝燃料，一個重要的合成代謝基石，和一個重要的信號分子。由於其基本的重要性，乳酸代謝與大量的生理或病理過程交織，包括組蛋白修飾、缺氧反應、自噬、神經活動、精子發生、胚胎髮育、衰老、免疫和癌症代謝。在體內，乳酸在不同亞細胞區隔、細胞種類、組織和體液中呈現動態空間分佈。儘管亞細胞乳酸代謝在細胞代謝中的核心作用，但由於乳酸分佈的敏感時空分辨率和動力學仍然是一個技術挑戰，關於亞細胞乳酸代謝及其在生理和疾病中的調節的許多細節仍有待確定。

2022年10月28日，華東理工大學趙玉政、楊弋與同濟大學王從容合作在Cell Metabolism 雜誌在線發表題為“Ultrasensitive sensors reveal the spatiotemporal landscape of lactate metabolism in physiology and disease”的研究論文，該研究開發並表徵了一種超靈敏、響應性比例高的乳酸傳感器，稱為FiLa，能夠監測活細胞和動物中微妙的乳酸波動。利用FiLa，研究證明了乳酸在哺乳動物線粒體中高度富集，並編譯了亞細胞乳酸代謝圖譜，揭示了乳酸是感知各種代謝活動的關鍵樞紐。

此外，FiLa傳感器還可以直接成像糖尿病小鼠的乳酸水平升高，並促進建立一個簡單、快速和敏感的乳酸測定方法，用於現場臨牀篩查。總之，FiLa傳感器為定義健康和疾病中乳酸代謝的時空景觀提供了強大的、廣泛適用的工具。

乳酸長期以來一直被用作疾病狀態的代謝指標。乳酸療法可能是有效的治療疾病，如控制不良的糖尿病，創傷性腦損傷，心力衰竭，炎症和免疫抑制。因此，解剖乳酸代謝的生物學意義和日益被認識到的複雜性需要開發分子工具，為實時監測和成像提供敏感的時空分辨率。儘管急需這些工具，但在體內和原位跟蹤乳酸的工具是有限的。目前，研究人員主要依賴於通過酶循環分析、層析或質譜測量細胞外培養基或細胞裂解液中的乳酸，或通過seahorse分析儀測量細胞外酸化率(extracellular acidification rate, ECAR)。然而，這些方法不僅耗時或成本高，而且與單個活細胞或活體的時空動力學研究不兼容。最近的進展表明，活細胞代謝監測的挑戰可以通過使用基因編碼熒光傳感器來解決，它與特定的代謝物如ATP、NAD(H)、氧化和還原的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP(H))結合並作出反應。這些傳感器在體內形成固有的熒光團，通常能夠針對特定的細胞或亞細胞細胞器，並允許對代謝物進行精確的時空監測。基因編碼熒光傳感器已被報道用於乳酸監測。然而，這些傳感器在體外和/或活細胞中具有相當小的動態範圍，對鈣的反應不理想，或不適當的(生理)親和力。這些限制使得他們難以量化體外和體內乳酸的細微波動。為了填補目前的技術空白，研究人員開發了一系列超靈敏，高響應，比率，遺傳編碼的乳酸指標，稱為乳酸熒光指標 (fluorescent indicators of lactate, FiLa)。通過監測乳酸動態，研究人員展示了FiLa傳感器在亞細胞細胞器、單細胞、活小鼠、高吞吐量篩選和人血清和尿液中的效用。由此可見，這項研究提出了幾個概念：

報道了一系列遺傳編碼熒光傳感器，在跟蹤體外和體內乳酸代謝的瞬時變化方面具有優異的性能。

探索亞細胞乳酸景觀，包括它在活細胞中的分佈、丰度、運輸和調節；鑑定線粒體乳酸水平高於細胞核和細胞質；以及揭示乳酸是敏感感知各種代謝活動的關鍵中樞。

FiLa傳感器提供了一種快速和方便的乳酸含量測定方法，並且直接證據表明MIDD患者的尿乳酸含量(mtDNA 3243A>G)與1型或2型糖尿病患者相比異常增加。

研究概述（圖源自Cell Metabolism ）總而言之，該研究開發的FiLa傳感器將為基礎、轉化和臨牀研究中乳酸代謝的精確診斷鋪平道路。原文鏈接：https://www.cell.com/cell-metabolism/fulltext/S1550-4131(22)00453-3