突破：一種使小鼠腦皮層100-400微米深度熒光增強(qiáng)的生物傳感器

在哺乳動(dòng)物體內(nèi)，L-乳酸日益被視為一種重要的細(xì)胞間能量載體，但其在細(xì)胞外環(huán)境中釋放與攝取的空間和時(shí)間動(dòng)態(tài)變化仍存在諸多未解之謎。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法如酶電極技術(shù)，雖能用于活體測(cè)量，但存在空間分辨率低、對(duì)組織具有侵入性等局限。為了以更高的時(shí)空分辨率在活體中原位、實(shí)時(shí)觀測(cè)細(xì)胞外L-乳酸的動(dòng)態(tài)變化，研究人員開(kāi)發(fā)了一種名為R-eLACCO2.1的紅色熒光基因編碼生物傳感器。該傳感器基于乳酸結(jié)合蛋白TTHA0766與紅色熒光蛋白cpmApple構(gòu)建，通過(guò)定向進(jìn)化與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了在培養(yǎng)細(xì)胞、小鼠腦切片以及活體小鼠中對(duì)細(xì)胞外L-乳酸的高靈敏度、高特異性成像。R-eLACCO2.1不僅可用于熒光強(qiáng)度成像，還可作為熒光壽命成像顯微鏡（FLIM）傳感器，并能與綠色熒光鈣離子指示劑（如GCaMP）進(jìn)行雙色成像，從而同步監(jiān)測(cè)神經(jīng)活動(dòng)與代謝變化。

本研究的核心貢獻(xiàn)者包括Yuki Kamijo, Philipp Machler, Natalie Ness, Cong Quang Vu, Tsukasa Kusakizako, Jamsad Mannuthodikayil, Zaneta Ku, Marc Boisvert, Ekaterina Grebenik, Ikumi Miyazaki, Rina Hashizume, Haruaki Sato, Rui Liu, Yukiko Hori, Taisuke Tomita, Tetsuro Katayama, Akihiro Furube, Gabriela Caraveo, Marie-Eve Paquet, Mikhail Drobizhev, Osamu Nureki, Satoshi Arai, Marco Brancaccio, Robert E. Campbell, David Kleinfeld & Yusuke Nasu。他們的研究成果以論文“A red fluorescent genetically encoded biosensor for in vivo imaging of extracellular L-lactate dynamics”的形式，于2025年10月發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Nature Communications》上。

重要發(fā)現(xiàn)
01核心貢獻(xiàn)：新一代紅色熒光乳酸傳感器的誕生
本研究最核心的貢獻(xiàn)是成功開(kāi)發(fā)了R-eLACCO2.1，這是首個(gè)高性能的紅色熒光細(xì)胞外L-乳酸基因編碼生物傳感器。其開(kāi)發(fā)過(guò)程始于將綠色乳酸傳感器eLACCO1中的綠色熒光蛋白（cpGFP）替換為紅色熒光蛋白（cpmApple），構(gòu)建出初始原型R-eLACCO0.1。隨后，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)多輪定向進(jìn)化（包括隨機(jī)突變和定點(diǎn)誘變），大幅提升了傳感器的熒光響應(yīng)度（ΔF/F），最終獲得了高度優(yōu)化的變體R-eLACCO2。通過(guò)引入Leu79Ile突變以調(diào)節(jié)其對(duì)乳酸的親和力，得到了最終的工作版本R-eLACCO2.1，其表觀Kd為5.1 mM，非常適合感知生理范圍內(nèi)的細(xì)胞外乳酸濃度變化。同時(shí)，研究人員還構(gòu)建了無(wú)響應(yīng)突變體R-deLACCOctrl作為對(duì)照。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
R-eLACCO2.1的誕生，在光學(xué)成像與生物傳感領(lǐng)域取得了多項(xiàng)重要突破。它成功突破了光譜限制，實(shí)現(xiàn)了活體代謝物的多參數(shù)同步成像。作為首個(gè)紅色熒光細(xì)胞外乳酸傳感器，它完美地解決了綠色熒光傳感器（如eLACCO系列）與同樣為綠色的神經(jīng)活動(dòng)指示劑（如GCaMP）在同時(shí)使用時(shí)難以區(qū)分信號(hào)的難題。這種“光譜正交性”使得研究人員能夠在不相互干擾的情況下，同時(shí)對(duì)神經(jīng)電活動(dòng)（通過(guò)GCaMP）和能量代謝（通過(guò)R-eLACCO2.1）進(jìn)行觀測(cè)，為解析大腦功能提供了前所未有的多維信息。

該傳感器集成了熒光強(qiáng)度與熒光壽命兩種成像模式，極大地增強(qiáng)了其應(yīng)用的靈活性和可靠性。FLIM模式特別適合于活體定量研究，因?yàn)樗�能有效克服因傳感器表達(dá)量差異、組織光散射和吸收所導(dǎo)致的信號(hào)波動(dòng)，提供更穩(wěn)定、更精確的乳酸濃度讀數(shù)。這種雙模式兼容性使R-eLACCO2.1能夠適應(yīng)從細(xì)胞水平的高通量篩選到活體動(dòng)物深層組織成像的多種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。

總結(jié)與展望
本研究成功開(kāi)發(fā)了高性能紅色熒光基因編碼生物傳感器R-eLACCO2.1，實(shí)現(xiàn)了在培養(yǎng)細(xì)胞、腦切片及活體小鼠中對(duì)細(xì)胞外L-乳酸動(dòng)態(tài)的高時(shí)空分辨率、高特異性成像。其紅色熒光特性、優(yōu)異的靈敏度以及對(duì)熒光壽命成像的兼容性，使其成為研究大腦能量代謝與神經(jīng)活動(dòng)之間復(fù)雜關(guān)系的理想工具。利用R-eLACCO2.1，研究團(tuán)隊(duì)在清醒小鼠中揭示了運(yùn)動(dòng)和行為刺激引起的乳酸動(dòng)態(tài)變化，并首次通過(guò)雙色成像觀察到神經(jīng)活動(dòng)后細(xì)胞外乳酸的瞬時(shí)消耗，為理解乳酸在大腦中的實(shí)時(shí)功能提供了全新視角。展望未來(lái)，R-eLACCO2.1作為一種強(qiáng)大的成像工具，將極大地推動(dòng)神經(jīng)科學(xué)、代謝生理學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，特別是在探究阿爾茨海默病、肌萎縮側(cè)索硬化癥等與乳酸代謝紊亂相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病的機(jī)制方面具有廣闊的應(yīng)用前景。它將繼續(xù)幫助科學(xué)家們描繪乳酸在哺乳動(dòng)物生理與病理過(guò)程中所扮演的復(fù)雜而關(guān)鍵的角色。

DOI:10.1038/s41467-025-64484-x.