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赵玉政/杨弋/王从容研发乳酸高性能在体监测成像新技术

2022-11-09 07:04

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创 Cell Press CellPress细胞科学

生命科学 Life science

2022年10月28日，华东理工大学药学院、生物反应器工程国家重点实验室赵玉政教授、杨弋教授以及上海市第四人民医院王从容主任合作在Cell Press细胞出版社旗下Cell Metabolism期刊发表题为“Ultrasensitive sensors reveal the spatiotemporal landscape of lactate metabolism in physiology and disease”的技术长文，报道一种乳酸高性能监测成像新技术，实现了在活细胞、亚细胞和在体水平对乳酸代谢的原位、实时、定量动态追踪，并在乳酸空间分布、调控网络、药物筛选、临床诊断方面取得了重要突破。

越来越多的研究表明，乳酸不是传统认为的糖酵解途径产生的代谢废物，而是具有关键生理和病理作用的能量燃料、合成砌块和信号分子。然而，由于乳酸代谢呈现剧烈的动态变化和复杂的空间分布，传统的代谢研究方法难以实现活细胞和在体水平的动态追踪。因此，迫切需要建立一种面向活细胞和在体的、高时空分辨的乳酸代谢监测新技术。

遗传编码的荧光探针是解决这一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“高通量”与“全景式”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。此次，研究团队基于理性设计和定向进化等策略，获得高特异、高响应、超灵敏的乳酸荧光探针FiLa，并且在监测分析的分辨率、准确度、便捷性方面具有明显的优势，可谓是能量代谢分析技术领域的重磅研究。

已发展系列高性能遗传编码代谢物探针

利用FiLa探针，作者首先绘制了亚细胞乳酸代谢图谱。现有的教科书告诉我们乳酸作为糖酵解产物，定位于细胞浆。上世纪90年代末研究者发现线粒体中存在乳酸脱氢酶，由此线粒体内是否存在乳酸这一问题引发了一系列研究和激烈讨论。利用FiLa探针，研究团队率先报道细胞核内乳酸水平与细胞浆水平相近，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，同时首次使人们观察到，人体细胞内乳酸具有更丰富的代谢命运，从而打开了乳酸代谢研究的新窗口。接下来，研究团队基于FiLa探针建立了活细胞水平药物高通量筛选方法，发现乳酸是感知各种代谢活动的关键枢纽。研究团队进一步利用FiLa探针对I型糖尿病和II型糖尿病小鼠开展了活体动物成像研究，并建立了基于FiLa探针的高通量临床样本即时检测技术，分别测定了成人隐匿性自身免疫性糖尿病（I型糖尿病的一类分型）、II型糖尿病、母系遗传性糖尿病伴耳聋（MIDD）患者以及健康人的体液乳酸水平，发现MIDD糖尿病人尿液中乳酸水平升高。由于MIDD患者的发病年龄和临床表现缺乏显著的区分度，经常被误诊为I型或II型糖尿病，发现尿液乳酸显著升高可能作为该疾病的潜在筛查标志物，为临床诊断提供了重要依据。

高性能乳酸检测技术助力药物筛选和疾病快速诊断

总的来说，该研究不但发展了具有广泛应用前景的乳酸代谢监测技术，解决了关于乳酸代谢的长期争议，引出一系列前沿研究问题，并且为生命现象解析、疾病机制探索、创新药物发现、疾病快速诊断等生命医学领域提供了创新性的研究工具，助力人民生命健康。

作者专访

Cell Press细胞出版社公众号特别邀请赵玉政教授代表研究团队接受了专访，请他为大家进一步详细解读。

CellPress：

遗传编码荧光探针在代谢物检测上有哪些优势？你们发展的乳酸探针有什么特点？

赵玉政教授：

代谢是一切生命活动的基础，相对于遗传信息的稳定性，它往往具有更复杂的空间分布和快速的动态响应。基于色谱、质谱的代谢物分析方法可以同时测量多个代谢物组分，覆盖面广，但它们需要复杂的预处理，破坏细胞结构，难以应用于活细胞的代谢分析，因此，这就要求发展非侵入性的、面向活细胞和活体的代谢物监测技术。遗传编码荧光探针是解决这一问题的强有力工具。遗传编码荧光探针是基于合成生物学和荧光传感原理构建的荧光蛋白与目标代谢物结合蛋白的嵌合体，导入细胞后可实时追踪和定量研究代谢物的水平。这类探针特异性高、动态范围大、响应快速，而且与各类生物都有极好的相容性，应用范围广泛。当探针融合定位信号肽时，可以实时动态监测细胞的代谢变化。我们此次发展的乳酸探针FiLa，特异性高，对糖代谢中间产物、氨基酸、三羧酸循环中间代谢物、离子等均没有响应；动态变化范围高达1500-2700%，比已有的探针至少提高了1-2个数量级；FiLa家族具有不同亲和力的突变体，可在不同的应用场景使用。FiLa探针还具有响应迅速、荧光明亮、双通道输出可以进行乳酸的精确定量测定等显著优势。

CellPress：

关于乳酸有哪些未解之谜？这次发展的新工具是否解决这些疑问？

赵玉政教授：

乳酸不但是主要的能量燃料之一，也是物质合成的重要砌块，而且近来还发现它参与信号转导。然而，关于它的亚细胞分布从上个世纪末一直争议至今，仍然没有解决。一般的生化教科书告诉我们乳酸作为糖酵解产物，仅存在于细胞浆。上世纪90年代末起，陆续有研究发现线粒体中有乳酸脱氢酶，关于线粒体内是否存在乳酸这一问题引发了一系列研究和激烈讨论。近年来报道的组蛋白乳酸化修饰暗示了乳酸存在于细胞核的可能性，使得乳酸分布的真实面貌更加扑朔迷离。然而，这些研究基本都是采用分离细胞线粒体进行乳酸检测、或者测量乳酸代谢酶进行间接推断，结论莫衷一是，几十年悬而未决的问题争议至今。本研究利用新探针发现细胞核内有与细胞浆相近水平的乳酸，而线粒体内含有显著高于细胞浆的乳酸水平，这一发现是令人惊讶的。论文的评审意见认为这严重冲击了当前领域内的主流观点，对此提出了疑问。为此，我们研究团队利用线粒体组分的生化分离、酶活性分析、超分辨成像、其他乳酸检测方法等等，在不同的细胞体系中反复验证线粒体基质高富集乳酸这一结论。这一发现解决了该领域争议了几十年的重要科学问题，由于乳酸对肿瘤代谢、免疫代谢、神经代谢有重要作用，因此这将促使大家重新审视乳酸代谢的命运和作用的机制。

CellPress：

乳酸在细胞代谢网络处于什么样的地位？

赵玉政教授：

乳酸不但可以氧化产能，而且它可以迅速地转变成丙酮酸、乙酰辅酶A、丙氨酸等，是联系糖、脂、氨基酸代谢的关键节点。但是目前还缺乏系统的研究。为了阐释乳酸的代谢调控机制，我们基于FiLa探针，利用化学和代谢调控手段，绘制了亚细胞乳酸代谢图谱。系统研究了2种癌细胞、4个亚细胞区间2种营养状态、24个靶向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。实验结果显示，脂肪酸合成、三羧酸循环等多个代谢途径都显著影响乳酸水平，乳酸是可感知各种代谢活动的重要枢纽。研究还发现细胞外乳酸与细胞内乳酸水平时常表现出不一致的情况，显示了胞外酸化推断乳酸代谢水平的局限性。这些代谢活动的相互作用非常有趣，值得进一步深入研究。

CellPress：

乳酸探针是否可以应用于临床样本检测？

赵玉政教授：

我们首先建立了基于FiLa探针的临床体液样本即时检测技术。如果采用传统的代谢物分析技术，样本需要比较冗长的处理步骤。得益于FiLa探针优越的综合性能，样品不需复杂的前处理，直接添加1微升左右血清或尿液到96孔板，即可瞬时定量检测。由于糖尿病人的乳酸代谢异常，我们以糖尿病为例开展了医学应用研究，惊奇地发现相较于I型或II型糖尿病患者以及健康志愿者，线粒体突变的MIDD糖尿病人尿液中乳酸水平升高。由于MIDD患者的发病年龄和临床表现缺乏显著的区分度，经常被误诊为I型或II型糖尿病，本研究发现尿液乳酸显著升高可能作为该疾病的潜在筛查标志物，为临床诊断提供了重要依据，这也显示了FiLa探针在高通量临床体液样本诊断等转化医学研究中的应用潜力。由于这是概念验证性的研究，临床样本数还比较少，后续还需更大规模样本的研究来验证。

CellPress：

糖代谢监测还有哪些重要问题？

赵玉政教授：

我们过去聚焦于细胞内的关键辅酶NADH、NAD+和NADPH等，陆续研发了系列高性能代谢荧光探针以及“高通量”与“全景式”活细胞代谢监测分析方法。此次拓展到了糖代谢的领域。乳酸是糖代谢的终产物，除了乳酸，还有一些关键代谢节点，例如作为糖酵解和磷酸戊糖途径共同底物的6-磷酸葡萄糖、连接糖脂代谢的三磷酸甘油、具有广泛作用的丙酮酸等，发展这些探针对糖代谢的系统研究非常必要。此外，目前的探针光谱比较单一，主要集中在黄绿色波段，因此发展多色探针，推进面向不同代谢途径、不同亚细胞区域的高维代谢分析具有广泛的需求。目前虽然有各种各样的荧光探针，但是高性能的探针屈指可数，需要大家一起来扎扎实实地发展这些关键核心技术。代谢是一切生命活动的基础，技术变革将使得代谢研究从静态扫描真正转变成动态刻画，深入阐明生命活动的本质。

作者介绍

赵玉政

教授

赵玉政，教授，博士生导师，华东理工大学药学院副院长（主持工作），北京协和医学院博士生导师，上海市前沿科学研究基地主任，中国医学科学院创新单元主任，国家高层次人才（2021），国家重点研发计划项目首席科学家（2019），国家青年高层次人才（2017），国家自然科学基金创新研究群体核心成员。主持国家重点研发计划项目/课题2项，国家自然科学基金5项（原创探索计划项目、重点项目、重大研究计划项目、优秀青年科学基金项目、面上项目）。研究方向是细胞代谢监测示踪与生命健康，主要研究成果发表在Nature Methods、Nature Metabolism、Nature Protocols(2篇)、Cell Metabolism(3篇)、Developmental Cell、Science Advances、Cell Reports和Blood等国际权威学术期刊，编写英文著作Methods in Enzymology 1个章节，授权或申请发明专利37项，获教育部自然科学一等奖（2020）、上海青年科技英才奖（2018）、上海市青少年科技创新“市长”奖（2013）等荣誉。研究成果在国际上产生重要影响，被国际同行称为“颠覆性技术”，目前已被全球来自哈佛大学、斯坦福大学、麻省理工学院、牛津大学、剑桥大学等500多个国内外一流研究机构实验室跟踪应用。