2023年1月，华东理工大学药学院赵玉政教授和杨弋教授、上海市第四人民医院王从容主任、以及麦特绘谱创始人上海交通大学医学院附属第六人民医院贾伟教授合作在Cell Metabolism上发表文章，题为 Ultrasensitive sensors reveal the spatiotemporal landscape of lactate metabolism in physiology and disease，报道一种高灵敏度的乳酸监测成像新技术，称为FiLa，能够监测有活性的亚细胞和在体水平的乳酸代谢，展示了FiLa传感器在亚细胞细胞器、单细胞、活小鼠和临床患者血清和尿液中的效用。
研究背景
传统认为，乳酸在应激肌肉和缺血组织中的积累确立了乳酸作为有害废物的声誉，使乳酸被认为是能量代谢中的“丑小鸭”[1]，长期以来一直被用作疾病状态的代谢指标。近年来越来越多的研究表明乳酸是重要的代谢燃料、合成代谢基石和信号分子[2-4]，是具有多种关键作用的代谢“明星”。
精细监测乳酸代谢水平具有重要的生物学意义，然而乳酸在不同的亚细胞中具有动态的空间分布，乳酸真实的代谢水平仍然处于“黑匣子”状态。现有的教科书，认为乳酸作为糖酵解产物，定位于细胞浆。上世纪90年代末，更多的研究者通过依赖于通过酶循环分析、色谱或质谱法测量细胞外培养基或细胞裂解液中的乳酸，或通过海马分析仪测量细胞外酸化液率间接推断乳酸可能存在于细胞核和线粒体[5]。因而乳酸在体分布的真实面貌扑朔迷离，几十年悬而未决的问题争议至今。
实验结果
一、已发展系列遗传编码代谢物探针
遗传编码的荧光探针是解决活细胞代谢追踪技术难题的神兵利器。聚焦细胞代谢监测国际前沿领域，研究团队已针对细胞内的关键辅酶NADH、NAD+、NADPH以及乳酸，研发了系列高性能代谢荧光探针以及活细胞代谢监测分析方法，系列研究成果发表在Nature Methods（2017）、Nature Metabolism（2021）、Nature Protocols（2018；2016）、Cell Metabolism（2022；2019；2015；2011）、Developmental Cell（2020）、Cell Reports（2022）、Science Advances（2021）、Blood（2020）等国际权威学术期刊，成为该研究领域的重要标杆。
图1.已发展系列高性能遗传编码代谢物探针
二、高灵敏的乳酸传感器—FiLa
传统的代谢研究方法通过酶循环分析、色谱或质谱法测量细胞外培养基或细胞裂解液中的乳酸，或通过海马分析仪测量细胞外酸化液率，由于乳酸代谢呈现剧烈的动态变化和复杂的空间分布，难以实现活细胞和在体水平的动态追踪[6,7]。针对这个痛点，研究团队开发了高灵敏度的乳酸监测成像新技术，称为FiLa，能够监测有活性的亚细胞和在体水平的乳酸代谢，可谓是能量代谢分析技术领域的重磅研究。
图2. 高灵敏的乳酸传感器
三、FiLa发现乳酸在哺乳动物线粒体中高度富集
研究表明，乳酸可以喂养线粒体中的三羧酸循环或细胞核中的乳酸组蛋白[3, 4]，为了研究活的哺乳动物细胞中亚细胞乳酸的分布，研究团队通过葡萄糖添加和剥夺实验、三种细胞系分离的线粒体进行了荧光成像和流式细胞仪分析实验等，惊奇的发现细胞核内乳酸水平与细胞浆相近，而线粒体内乳酸水平远高于细胞浆和细胞核，这一发现解决了该领域争议了几十年的重要科学问题。
图3. 乳酸在哺乳动物线粒体中高度富集
四、FiLa亚细胞景观揭示乳酸是重要代谢枢纽
作者基于FiLa探针建立了活细胞水平药物高通量筛选方法，研究乳酸的代谢调控机制。通过测定2种癌细胞 (非小肺癌和宫颈癌细胞)、4个亚细胞区间（细胞外环境、细胞浆、细胞核和线粒体）在2种营养状态（葡萄糖充足与缺乏）和24种靶向10条重要代谢途径的小分子化合物或药物作用下的乳酸水平，揭示了乳酸是感知细胞多种代谢活动的重要枢纽。
图4. 乳酸是感知细胞多种代谢活动的重要枢纽
五、FiLa监测活小鼠的乳酸代谢成像
越来越多的证据表明，乳酸与糖尿病的发病率密切相关[8,9]。作者首先针对I型糖尿病（T1DM）和II型糖尿病（T2DM）小鼠开展了活体动物成像研究，实时监测了T1DM小鼠在胰岛素治疗下的乳酸动态变化。证明了FiLa传感器是一个实时跟踪乳酸细微波动的强大工具。
图5. 糖尿病活小鼠的乳酸代谢成像
六、FiLa评估临床患者血清和尿液中的乳酸水平
现阶段，母系遗传性糖尿病伴耳聋（MIDD）患者经常被误诊为T1DM或T2DM，作者进一步评估FiLa在临床患者种的效果，分别测定了成人隐匿性自身免疫性糖尿病（LADA，I型糖尿病的一类分型）、II型糖尿病、MIDD患者以及健康对照各15例的体液乳酸水平，并且使用超高效液相色谱系统与三重四极杆质谱仪（UHPLC-MS）进一步验证，发现MIDD糖尿病人尿液中乳酸水平升高，尿液乳酸评分而不是血清乳酸特征评分有助于鉴别MIDD和LADA，这是一个以前没有报道过的观察结果，为临床诊断提供了重要依据。
图6. 临床患者血清、尿液乳酸水平
结论
本研究报道了一系列基因编码的荧光传感器FiLa，在体内和体外跟踪乳酸代谢的瞬时变化方面具有优异的性能。通过此方法作者探索了亚细胞乳酸景观，包括其在活细胞中的分布、丰度、运输和调控；发现线粒体中的乳酸水平高于细胞核和细胞质；并揭示了乳酸是敏感感知各种代谢活动的关键中枢。第三，通过FiLa传感器提供的乳酸检测，发现MIDD患者与I型或II型糖尿病患者相比表现出异常增加。总的来说，本研究不但解决了关于乳酸代谢的长期争议，还发展了活体水平的乳酸成像监测新技术Fila，为代谢疾病精确诊断提供了新工具。
原文链接
Ultrasensitive sensors reveal the spatiotemporal landscape of lactate metabolism in physiology and disease. Cell Metabolism. 2023.
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