Cell Metabolism：代谢研究利器！赵玉政/杨弋/王从荣团队开发出高性能基因编码的乳酸探针

文献精读第40期

乳酸Z初被认为是糖酵解产生的无用产物，然而现有的研究表明，乳酸不仅是一种代谢燃料，同时也是一种重要的信号分子。乳酸参与了组蛋白修饰、缺氧反应、自噬、神经活动、胚胎发育、衰老、免疫和癌症代谢等多种生理和病理过程，在机体代谢过程中发挥了重要作用。在体内，乳酸在不同亚细胞间室、细胞种类、组织和体液中呈现动态空间分布。因此，在体动态监测乳酸的分布和变化情况，对于探讨乳酸代谢的生物学意义至关重要。

2022年10月28日，华东理工大学药学院赵玉政教授、杨弋教授联合上海市第四人民医院王从容教授在国际权威学术期刊Cell Metabolism发表题为“Ultrasensitive sensors reveal the spatiotemporal landscape of lactate metabolism inphysiology and disease”的论文，该文章展示了团队在乳酸监测成像领域的Z/新研究成果。为了在体监测乳酸的时空动态变化，研究团队开发出一系列超灵敏、高响应、基因编码的乳酸荧光探针（命名为FiLa）。FiLa能够对活细胞、亚细胞以及小鼠体内的乳酸代谢进行实时动态追踪。此外，FiLa还能够对人的血清和尿液样本中的乳酸水平进行快速分析。这些证据提示，FiLa在乳酸的实时动态监测和定量分析中的卓/越性能，将为乳酸代谢相关的基础和临床研究提供极大助力。

目前，研究人员主要依靠酶循环测定法、色谱法或质谱法等手段来测定细胞外或细胞裂解液中的乳酸。然而，这些方法不仅耗时、成本高，而且也难以确定乳酸的时空动力学特征。利用基因编码的荧光探针可以很好的解决上述问题，但是现有的乳酸荧光探针存在诸多问题。比如，这些探针在体外和/或活细胞中具有相当小的动态范围、对钙的反应不理想、或者具有不适当的亲和力，这些限制使得它们难以量化体外和体内乳酸的细微波动。

在该研究中，作者开发了一系列基于“环化重排荧光蛋白”(circularly permuted fluorescent protein, cpFP）的超灵敏、高响应性的基因编码的乳酸荧光探针FiLa。FiLa家族在体外显示出1500-2700%的荧光反应，其灵敏度为目前所有乳酸探针中Z高。并且FiLa对乳酸的选择性高于其他相关代谢物，受到钙的干扰小。此外，FiLa对乳酸有适当的亲和力，在活细胞研究中，其解离常数为130mM，并且具有1000%的动态范围，涵盖了大多数乳酸的生理或病理浓度。值得注意的是，FiLa传感器本质上是比率传感器，具有能够定量、较少受成像伪影或探针表达程度影响的优点，因此，FiLa满足了接近理想分子探针的大部分要求。

图1.高性能的基因编码的乳酸荧光探针FiLa

随后，作者展示了FiLa在研究中的应用潜力。在活细胞中，利用FiLa，作者意外地发现乳酸在线粒体中高度富集。线粒体是否拥有乳酸库和线粒体乳酸代谢一直是一个存在争议的问题，因为没有令人信服的证据能够可靠地确定乳酸在活细胞中的原位分布。FiLa提供了首/个视觉证据，证实了乳酸在不同细胞的线粒体中高度富集。并且，作者利用FiLa进一步绘制了亚细胞的乳酸图谱，亚细胞乳酸对各种代谢途径的干扰反应良好，这意味着亚细胞乳酸和细胞信号通路紧密交织，表明乳酸是感知各种代谢活动的关键枢纽。

图2.利用FiLa观察到乳酸在哺乳动物线粒体中高度富集

此外，为了进一步验证FiLa应用能力，作者将FiLa应用到活体小鼠以及临床样本的乳酸检测中。乳酸与糖尿病的发生密切相关，为此作者利用FiLa对糖尿病小鼠的乳酸水平进行了监测。结果证实，FiLa可以直接成像监测糖尿病小鼠体内乳酸水平的升高，表明FiLa是实时追踪体内乳酸代谢细微波动的有力工具。Z后，作者还建立了基于FiLa探针的高通量临床样本即时检测技术，对不同类型糖尿病患者血液和尿液中的乳酸水平进行了测定，发现母系遗传性糖尿病伴耳聋（MIDD）患者尿液中乳酸水平升高，这一指征或可作为该疾病的潜在筛选标志物，为临床诊断提供依据。

图3.利用FiLa对糖尿病小鼠体内乳酸水平成像

总体而言，这项工作提供了一个用于乳酸检测的高效工具，文章所展示的高性能基因编码的乳酸荧光探针，解决了以往探针灵敏度低、受干扰严重以及亲和力不恰当等诸多问题。该探针能够广泛应用于体内外的乳酸代谢监测，这将为未来乳酸代谢相关的分子信号研究和疾病机制探讨提供强有力的工具。

论文原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cmet.2022.10.002