Cell Metabolism | 赵玉政等人开发超灵敏、高响应的乳酸传感器

​乳酸最初被认为是糖酵解产生的废物;然而，它现在已经成为一种主要的代谢燃料，一个重要的合成代谢基石，和一个重要的信号分子。由于其基本的重要性，乳酸代谢与大量的生理或病理过程交织，包括组蛋白修饰、缺氧反应、自噬、神经活动、精子发生、胚胎发育、衰老、免疫和癌症代谢。在体内，乳酸在不同亚细胞区隔、细胞种类、组织和体液中呈现动态空间分布。尽管亚细胞乳酸代谢在细胞代谢中的核心作用，但由于乳酸分布的敏感时空分辨率和动力学仍然是一个技术挑战，关于亚细胞乳酸代谢及其在生理和疾病中的调节的许多细节仍有待确定。

2022年10月28日，华东理工大学赵玉政、杨弋与同济大学王从容合作在Cell Metabolism 杂志在线发表题为“Ultrasensitive sensors reveal the spatiotemporal landscape of lactate metabolism in physiology and disease”的研究论文，该研究开发并表征了一种超灵敏、响应性比例高的乳酸传感器，称为FiLa，能够监测活细胞和动物中微妙的乳酸波动。利用FiLa，研究证明了乳酸在哺乳动物线粒体中高度富集，并编译了亚细胞乳酸代谢图谱，揭示了乳酸是感知各种代谢活动的关键枢纽。

此外，FiLa传感器还可以直接成像糖尿病小鼠的乳酸水平升高，并促进建立一个简单、快速和敏感的乳酸测定方法，用于现场临床筛查。总之，FiLa传感器为定义健康和疾病中乳酸代谢的时空景观提供了强大的、广泛适用的工具。

乳酸长期以来一直被用作疾病状态的代谢指标。乳酸疗法可能是有效的治疗疾病，如控制不良的糖尿病，创伤性脑损伤，心力衰竭，炎症和免疫抑制。因此，解剖乳酸代谢的生物学意义和日益被认识到的复杂性需要开发分子工具，为实时监测和成像提供敏感的时空分辨率。尽管急需这些工具，但在体内和原位跟踪乳酸的工具是有限的。目前，研究人员主要依赖于通过酶循环分析、层析或质谱测量细胞外培养基或细胞裂解液中的乳酸，或通过seahorse分析仪测量细胞外酸化率(extracellular acidification rate, ECAR)。然而，这些方法不仅耗时或成本高，而且与单个活细胞或活体的时空动力学研究不兼容。最近的进展表明，活细胞代谢监测的挑战可以通过使用基因编码荧光传感器来解决，它与特定的代谢物如ATP、NAD(H)、氧化和还原的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP(H))结合并作出反应。这些传感器在体内形成固有的荧光团，通常能够针对特定的细胞或亚细胞细胞器，并允许对代谢物进行精确的时空监测。基因编码荧光传感器已被报道用于乳酸监测。然而，这些传感器在体外和/或活细胞中具有相当小的动态范围，对钙的反应不理想，或不适当的(生理)亲和力。这些限制使得他们难以量化体外和体内乳酸的细微波动。为了填补目前的技术空白，研究人员开发了一系列超灵敏，高响应，比率，遗传编码的乳酸指标，称为乳酸荧光指标 (fluorescent indicators of lactate, FiLa)。通过监测乳酸动态，研究人员展示了FiLa传感器在亚细胞细胞器、单细胞、活小鼠、高吞吐量筛选和人血清和尿液中的效用。由此可见，这项研究提出了几个概念：

报道了一系列遗传编码荧光传感器，在跟踪体外和体内乳酸代谢的瞬时变化方面具有优异的性能。

探索亚细胞乳酸景观，包括它在活细胞中的分布、丰度、运输和调节；鉴定线粒体乳酸水平高于细胞核和细胞质；以及揭示乳酸是敏感感知各种代谢活动的关键中枢。

FiLa传感器提供了一种快速和方便的乳酸含量测定方法，并且直接证据表明MIDD患者的尿乳酸含量(mtDNA 3243A>G)与1型或2型糖尿病患者相比异常增加。

研究概述（图源自Cell Metabolism ）总而言之，该研究开发的FiLa传感器将为基础、转化和临床研究中乳酸代谢的精确诊断铺平道路。原文链接：https://www.cell.com/cell-metabolism/fulltext/S1550-4131(22)00453-3