我国学者研发体内乳酸时空成像新技术，为代谢疾病诊断提供新工具

长期以来，人们将代谢物乳酸视为活细胞代谢检测的金标准。但受限于基础研究工具的发展，以往的研究基本集中在细胞分泌的乳酸上，并不能直接定量检测细胞内的乳酸。

事实上，细胞代谢是一个非常复杂的过程，具有很强的空间异质性。不同的组织器官、不同的细胞以及细胞内复杂的亚细胞结构（细胞器），各地的新陈代谢都有所不同。

迄今为止，活细胞中乳酸的代谢仍然是一个“黑匣子”。传统方法中，一般通过生物化学、质谱、电化学等方法检测乳酸。然而，由于各自的局限性，很难获得细胞内乳酸代谢的深入信息，这无异于“光谱另一端的痒”。

例如，生物化学、质谱等方法裂解细胞进行检测。这种均质样品的方法会破坏样品的内部结构，丢失代谢物的重要空间（位置）信息；电化学方法的测量只能检测细胞外或体液中的乳酸。传统方法无法检测乳酸在时间和空间维度上的分布特征，获得的信息含金量较低，极大地阻碍了相关理论的研究。

以“看”细胞内乳酸代谢全景为目标，华东理工大学团队研发了新型超灵敏乳酸荧光探针FiLa，并与上海第四人民医院团队合作，揭示尿首次将乳酸作为疾病生物标志物。事物的重要性。该探针的荧光亮度动态范围为1500-2700%，比早期乳酸探针高100倍以上（2个数量级）。

此外，FiLa系列探针在多种生物样本（亚细胞结构、细胞、活体组织）和实际临床样本中表现出了极高的稳定性、特异性、准确性和灵敏度，可用于实际临床的检测和检测。样品。筛选相关药物，实现真正的“产业化”。

特别值得注意的是，研究小组利用FiLa探针发现线粒体中的乳酸水平比细胞质和细胞核中的乳酸水平高5-10倍，并首次证明线粒体参与乳酸代谢。这些“偶然的发现”为改写课本知识提供了有力的证据。

同期《细胞代谢》发表的一篇评论文章指出，这项研究解决了该领域长期存在的科学问题[1]。审稿人认为，论文中报道的探针有潜力成为少数具有真正影响力的基因编码荧光探针之一。

近期，相关论文发表在《Cell Metabolism》上，标题为《超灵敏探针揭示了生理和疾病中乳酸代谢的时空景观》（Ultrasensitivesensors Reveal the Spaiotemporal Landscape of Lactate Metabolism in Physology and Disease）[2]。

为重写课本知识提供有力证据

众所周知，乳酸在细胞质中通过糖酵解产生并分泌到细胞外参与循环，为其他细胞提供能量和调节因子。然而，细胞中主要的“能量工厂”线粒体中是否存在乳酸？几十年来，这一直是该领域“悬而未决”的科学问题。 “传统的测量线粒体乳酸的方法需要进行线粒体分离。然而，线粒体乳酸在分离过程中迅速流失，造成线粒体中没有乳酸的错觉。”杨毅教授指出。

由于其高灵敏度，FiLa探针可以直接检测活细胞内不同亚细胞结构中的乳酸含量。因此，FiLa 探针可以清楚地看到活细胞中乳酸在时间和空间水平上的所有变化。杨毅教授说：“我们发现线粒体中含有非常高浓度的乳酸，首次证明线粒体参与了乳酸代谢。”

我国学者研发体内乳酸时空成像新技术，为代谢疾病诊断提供新工具

为了阐明乳酸的代谢调节机制，团队利用FiLa探针以及化学代谢调节方法绘制了亚细胞水平的乳酸代谢图谱。他们发现细胞核的乳酸水平与细胞质相似，而线粒体的乳酸含量显着高于细胞质的乳酸水平。

研究人员做了大量工作来证明线粒体中存在乳酸。在探索如何利用质谱法检测线粒体乳酸时，研究小组发现在线粒体分离过程中乳酸会迅速损失，因此他们在如何分离线粒体的问题上反复思考。需要快速分离线粒体，并在高纯度的前提下保留尽可能多的乳酸。

“这个现象也解释了为什么前人总是争论‘线粒体中是否有乳酸’的问题。这取决于分离线粒体所用的手段。如果分离操作快的话，你可能还是能看到一点乳酸。”酸，否则乳酸很快就会消失，”他说。

新陈代谢的特点是对外界环境的变化或扰动做出快速反应，并在短时间内恢复体内平衡，维持细胞内环境的稳定。代谢稳态和反应是所有其他高级细胞功能的基础。从这个角度来看，利用基因编码的荧光探针可以实现对活细胞内代谢物的实时动态监测，这是空间分辨率低、滞后的传统检测方法无法比拟的巨大优势。

乳酸在活细胞和亚细胞结构中的代谢过程是一个循环动态的过程，必须使用基因编码的荧光探针来实现乳酸含量水平的动态观察。杨毅教授指出，虽然此前也出现过其他乳酸探针，但由于各种缺陷，它们很难在活细胞和活体动物中获得如此丰富的信息。从技术角度来看，迄今为止只有FiLa探针可以进行活细胞和体内乳酸代谢的全景分析等研究。

“线粒体中是否存在乳酸”领域长期以来存在争议，学术界分为两派。 “不幸的是”，该论文的一位审稿人的立场与论文中的结论完全相反。他认为，这严重冲击了当前领域的主流观点，并引发了很多质疑。为此，研究团队通过一系列证据，充分、严格地证明了“线粒体中存在乳酸”的结论，并获得了审稿人的最终认可。

有望促进新诊断范式的出现

细胞代谢是生命的基本特征，包括生殖、发育、神经、免疫等生命活动都与代谢密切相关。代谢失衡是人类各种重大疾病的主要原因，如糖尿病、肥胖、衰老、肿瘤、心血管疾病等。

因此，细胞代谢过程的监测无论是在代谢的基础研究层面还是下游应用场景的开发都具有很高的价值和意义。乳酸代谢是核心代谢过程之一。乳酸代谢一旦出现问题，不仅会导致各种重大疾病，还可能危及生命。

这项研究可能会带来一系列相关概念和机制的突破。乳酸不仅是能量代谢的主要参与者，泌乳也是蛋白质功能调节的重要机制。新的细胞内乳酸转运途径和新的代谢途径的发现将带来新的疾病标志物和药物靶点，这将对生物医药行业产生重大影响。

FiLa 探针可以帮助药物发现，并帮助发现与乳酸代谢相关的新转运蛋白、酶、调节蛋白和RNA 以及其他重要分子。

在疾病诊断方面，这项研究有望推动新的诊断范式的出现。目前，体外诊断可通过生化、免疫学、核酸分子检测等方法进行，而细胞学诊断主要基于形态学。未来，乳酸探针可以“一机两用”，适用于体液和包括血液、尿液或干细胞在内的细胞学诊断，将细胞学诊断从“看形态”转变为“看功能”。

我国学者研发体内乳酸时空成像新技术，为代谢疾病诊断提供新工具

糖尿病是代谢异常引起的典型疾病之一。在临床应用研究中，团队首次发现尿乳酸可以作为罕见II型糖尿病即线粒体糖尿病（MDM）的筛查指标。

杨毅表示，虽然医学专家对于临床2型糖尿病（T2DM）患者筛查的必要性已达成共识，但目前缺乏依从性高、有效、低成本的临床筛查方法来区分MDM患者。由于MDM和T2DM患者服用不同的药物，筛查困难给患者的健康带来很大风险。 “借助FiLa 探针，我们可以快速筛查罕见2 型糖尿病患者，从而实现精准的药物治疗。”

未来，团队希望将FiLa探针推广到临床，帮助医生识别不同的疾病并监测其状态，从而为患者提供精准用药。据悉，团队正在积极推动这个方向的产业转型。

另一方面，团队也在利用FiLa探针作为预后指标进行药物筛选。 “这也意味着我们可以利用FiLa探针来加速针对乳酸代谢异常引起的多种疾病的药物开发。”杨轶说道。

先进生物监测技术领域20年经验

开发高性能荧光探针充满挑战。一路走来，杨毅教授团队在活细胞代谢分析方向积累了20年深入的经验和专业知识。理论上，它可以对任何代谢物进行相应的检测。针的快速发展。

在清华大学获得学士和博士学位后，他在哈佛医学院和波士顿大学医学院进行了两期博士后研究。 2006年，在哈佛医学院及其附属布莱根妇女医院担任生物化学副研究员和医学讲师的他决定回国，加入华东理工大学药学院任教。

杨毅教授带领团队先后研发了一系列高性能代谢荧光探针，开发了“高通量”、“全景”活细胞代谢分析方法。团队发明了一系列特异性检测细胞内核心代谢物NAD+、NADH、NADPH等的基因编码荧光探针Frex、SoNar、iNaps和FiNad，实现了活体动物、活细胞和各种亚细胞结构中氧化的检测。还原代谢的动态检测和成像在《NatureMethods》发表的综述文章中受到了同行的高度赞扬，被认为“颠覆了氧化还原生物学的研究范式”和“唤醒了该领域的科学家”[3]。

这项新研究将领域扩展到了葡萄糖代谢。在下游应用方面，此类探针不仅可以进行低成本、高灵敏度的体外检测，还可以加速药物筛选和发现。该团队于2015年利用SoNar探针发现了有效的广谱抗癌药物，并揭示了新的药物作用机制。

此外，他们还构建了一系列高性能荧光RNA。他们是世界上第一个为活细胞开发实用荧光RNA的人，可以追踪活细胞中任何RNA的代谢动态。它们被Nature Method 评价为“为RNA 相关研究铺平了道路”。路”。

在光遗传学方面，杨毅教授团队也在不断努力。未来，他们计划利用光遗传学方法连接细胞和计算机，从观察单细胞进展到进行大规模单细胞闭环实验。 “通过单细胞实验，我们可以控制一个细胞，观察其对某个基因的控制与由此产生的代谢后果之间的联系。我们的技术可以同时分析数十万个细胞的单细胞代谢，从而使生物学研究成为可能。集约化和高通量的发展使研究能力迅速提高了几个数量级，”他说。

积极推动技术产业转化，预计一年内实现产品研发

我国学者研发体内乳酸时空成像新技术，为代谢疾病诊断提供新工具

未来五年，杨毅教授为实验室制定了“四个目标”。首先，我们希望建立一个新的学科，——细胞代谢表型分析。简单理解，就是获取活细胞在不同生理、病理状态下多种代谢物的时空动态信息，通过对细胞的化学遗传分析，获得整个细胞代谢的全景。与现有的基因组、蛋白质组、代谢组等分子组学方法相比，细胞代谢组学极具挑战性，但内涵更深，可以提供活细胞的高维功能信息。

第二，我们希望用更有效的方法来研发药物。基于已经开发出的强大工具，将对更多物质产生的代谢表型进行进一步系统分析，以了解所有影响细胞代谢的物质的特性，如化学合成物质、营养物质等。

如今，药物筛选通常针对单一靶点进行。但许多复杂疾病的靶点并不十分明确，靶向药物筛选的效果有限。团队希望利用大数据和人工智能方法的积累，通过组学研究为重大疾病提供治疗方案。 “我们不再使用一种药物，而是使用包括中药在内的多种药物组合来治疗重大疾病，最终形成新的疾病治疗范式。”杨毅说。

第三，通过代谢检测发现更多疾病诊断新方法。代谢组学研究发现，许多微量分子可以作为疾病筛查、诊断和监测的标志物。但由于检测内容低以及检测方法的局限性，难以在临床上推广大规模、低成本、高频次的检测。

杨毅说：“由于FiLa探针灵敏度高，可以检测低水平的代谢物质，而且相对于质谱等方法来说非常简单，预计一年内就能开发出尿乳酸检测试剂盒，这样它可以在家庭环境中方便地进行生化诊断。”

四是促进高产菌株产生，提高生物制造效率。生物制造的核心是高产细胞系或菌株，但获得高产细胞系或菌株往往需要很长时间。

杨毅指出，通过细胞代谢监测技术，未来可以加速高产菌株的发现。现在通过合成生物学，我们可以一次性制造出数亿个菌株，但是要在数亿个菌株中挑选出最好的菌株，需要非常高通量的分析，这是现有技术很难实现的，但是可以通过单细胞分析技术实现。

支持：冰洁

参考：

1.细胞代谢(2022).https://doi.org/10.1016/j.cmet.2022.12.007