文獻解讀：高性能基因編碼的乳酸探針的開發與應用
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文獻精讀第40期
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乳酸最初被認為是糖酵解產生的無用產物，然而現有的研究表明，乳酸不僅是一種代謝燃料，同時也是一種重要的信號分子。乳酸參與了組蛋白修飾、缺氧反應、自噬、神經活動、胚胎發育、衰老、免疫和癌癥代謝等多種生理和病理過程，在機體代謝過程中發揮了重要作用。在體內，乳酸在不同亞細胞間室、細胞種類、組織和體液中呈現動態空間分布。因此，在體動態監測乳酸的分布和變化情況，對于探討乳酸代謝的生物學意義至關重要。
2022年10月28日，華東理工大學藥學院趙玉政教授、楊弋教授聯合上海市第四人民醫院王從容教授在國際權威學術期刊Cell Metabolism發表題為“Ultrasensitive sensors reveal the spatiotemporal landscape of lactate metabolism inphysiology and disease”的論文，該文章展示了團隊在乳酸監測成像領域的最/新研究成果。為了在體監測乳酸的時空動態變化，研究團隊開發出一系列超靈敏、高響應、基因編碼的乳酸熒光探針（命名為FiLa）。FiLa能夠對活細胞、亞細胞以及小鼠體內的乳酸代謝進行實時動態追蹤。此外，FiLa還能夠對人的血清和尿液樣本中的乳酸水平進行快速分析。這些證據提示，FiLa在乳酸的實時動態監測和定量分析中的卓越性能，將為乳酸代謝相關的基礎和臨床研究提供極大助力。
目前，研究人員主要依靠酶循環測定法、色譜法或質譜法等手段來測定細胞外或細胞裂解液中的乳酸。然而，這些方法不僅耗時、成本高，而且也難以確定乳酸的時空動力學特征。利用基因編碼的熒光探針可以很好的解決上述問題，但是現有的乳酸熒光探針存在諸多問題。比如，這些探針在體外和/或活細胞中具有相當小的動態范圍、對鈣的反應不理想、或者具有不適當的親和力，這些限制使得它們難以量化體外和體內乳酸的細微波動。
在該研究中，作者開發了一系列基于“環化重排熒光蛋白”(circularly permuted fluorescent protein, cpFP）的超靈敏、高響應性的基因編碼的乳酸熒光探針FiLa。FiLa家族在體外顯示出1500-2700%的熒光反應，其靈敏度為目前所有乳酸探針中最高。并且FiLa對乳酸的選擇性高于其他相關代謝物，受到鈣的干擾小。此外，FiLa對乳酸有適當的親和力，在活細胞研究中，其解離常數為130mM，并且具有1000%的動態范圍，涵蓋了大多數乳酸的生理或病理濃度。值得注意的是，FiLa傳感器本質上是比率傳感器，具有能夠定量、較少受成像偽影或探針表達程度影響的優點，因此，FiLa滿足了接近理想分子探針的大部分要求。
圖1.高性能的基因編碼的乳酸熒光探針FiLa
隨后，作者展示了FiLa在研究中的應用潛力。在活細胞中，利用FiLa，作者意外地發現乳酸在線粒體中高度富集。線粒體是否擁有乳酸庫和線粒體乳酸代謝一直是一個存在爭議的問題，因為沒有令人信服的證據能夠可靠地確定乳酸在活細胞中的原位分布。FiLa提供了首/個視覺證據，證實了乳酸在不同細胞的線粒體中高度富集。并且，作者利用FiLa進一步繪制了亞細胞的乳酸圖譜，亞細胞乳酸對各種代謝途徑的干擾反應良好，這意味著亞細胞乳酸和細胞信號通路緊密交織，表明乳酸是感知各種代謝活動的關鍵樞紐。
圖2.利用FiLa觀察到乳酸在哺乳動物線粒體中高度富集
圖3.利用FiLa對糖尿病小鼠體內乳酸水平成像
論文原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cmet.2022.10.002
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