乳酸是一种重要的合成代谢组件,也是一种重要的信号分子,由于其代谢的基本重要性,它被纳入大量的生理或病理过程中,包括组蛋白修饰、缺氧反应、自噬、胚胎发育、衰老、免疫等。乳酸一直被用作疾病状态的代谢指标。但由于乳酸分布具有敏感的时空分辨率,因此关于亚细胞乳酸代谢及其在生理和疾病中的调节,许多细节有待确定。目前对于体内和原位乳酸跟踪主要依赖通过酶循环分析、色谱法或质谱法等来测量细胞外培养基或细胞裂解液中的乳酸。然而,这些方法不仅耗时长、成本高,而且与单细胞、活细胞或体内的时空动力学研究不相容。
2022年10月28日,华东理工大学赵玉政、杨弋与上海市第四人民医院王从容合作在Cell Metabolism(IF:31.4)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—FiLa。FiLa对乳酸具有很高的选择性,并且其受到钙的干扰小。
图1. 超灵敏和高性能的乳酸传感器
(图片来自原文)
A:乳酸传感器FiLa的示意图。B:超灵敏和高响应乳酸传感器。C:纯化的FiLa在对照条件下(黑色)和乳酸饱和(暗红色)的激发光谱。D:FiLa在乳酸盐和其他代谢物浓度下的荧光反应。E:FiLa、FiLa-h和FiLa-c传感器的乳酸滴定曲线。F:纯化的FiLa和FiLaFila-h蛋白分别对50 mM乳酸盐和5mM乳酸盐的荧光响应动力学。
FiLa能够监测活细胞和动物中微妙的乳酸波动。利用FiLa探针,该课题组证明了乳酸在哺乳动物细胞线粒体中高度富集,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。
图2. 乳酸在哺乳动物线粒体中高度富集
(图片来自原文)
A:细胞质、线粒体和细胞核中表达FiLa的HEK293细胞的比值荧光图像。B:在HEK293、H1299和Hela细胞中用FiLa测量乳酸的亚细胞分布(左:细胞质/细胞核;右:线粒体)
此外,该课题组利用FiLa对糖尿病小鼠的乳酸水平进行了监测。结果证实,FiLa传感器可以直接成像监测糖尿病小鼠乳酸水平的升高。最后该课题组还建立了一个简单、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提供了强大的、广泛适用的工具。
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