Nature Methods: 空间分辨同位素示踪揭示组织代谢活动

2022年2月，普林斯顿大学等单位的相关研究人员在《Nature Methods》（IF: 28.5）上发表了题为“Spatially resolved isotope tracing reveals tissue metabolic activity”的研究论文，将稳定同位素标记的营养素输注与基质辅助激光解吸电离成像质谱相结合，以空间分辨的方式定量哺乳动物组织中的代谢活动。

亮点概述：

使用等值成像研究小鼠肾脏的区域代谢，能实现可视化糖酵解和糖异生的预期区域差异，并确定三羧酸 (TCA) 循环底物使用的空间变化。
同位素标记和蛋白质表达模式的综合分析具有了解区域代谢活动及其分子控制机制的潜力。
小鼠大脑谷氨酸合成的饮食依赖性碳源以及氮源表现出区域差异

亮点概述：

代谢受各种细胞和组织依赖性因素的调节，包括酶表达和营养物质的可及性。在复杂的组织结构中，分化的细胞表现出不同的代谢特征，因此，代谢异质性是哺乳动物生理学的一个重要方面。质谱 (MS) 与预分离技术（如液相色谱或气相色谱）相结合，经常用于代谢组学研究。基于色谱的 MS 方法可以根据其物理性质和质量分离不同的分析物，从而提供高特异性和广泛的代谢组覆盖率，但不能保留代谢物的空间分布。

因为空间分辨分析对于理解复杂的生物系统和生理过程很有价值，特别是在异质组织中，所以已经开发了成像工具来可视化代谢物的定位，用于诊断和研究目的。然而，这些方法在同时测量多种代谢物的能力方面受到限制。此外，这些方法不适合追踪营养物质的下游去向。使用基质辅助激光解吸电离 (MALDI) 的 MS 成像 (MSI) 能够同时映射数百个分子，同时提供接近单细胞水平 (~10–50µm) 的空间信息。该技术最近已应用于各种疾病状态，包括癌症，以发现诊断、预后和生存标志物。

代谢物由涉及数百种酶的广泛生化反应网络产生和消耗。除了测量代谢物浓度外，使用稳定同位素示踪剂测量通路活动以了解这些代谢网络具有重要价值。由于组织内的细胞类型具有不同的营养吸收率，因此将稳定同位素示踪剂注入同位素拟稳态可以更直接地比较空间不同区域之间的代谢活动。

研究人员将稳定同位素输注与 MSI 结合，并可视化和定量评估区域特异性代谢，这种称之为同位素示踪-MSI（iso-imaging）的策略集成了稳定同位素标记的营养物质（如 ¹³C 或 ¹⁵N）的注入、MS 成像和观察到的标记模式的定量分析。在同位素拟稳态下通过等值成像分析标记的代谢物有助于量化不同营养素对跨组织区域下游代谢物的部分贡献。

为了评估肾脏中糖酵解和糖异生的空间模式，研究人员给小鼠注入了 [U-¹³C] 葡萄糖和 [U-¹³C] 甘油，依赖 UDP-葡萄糖作为一种丰富的特定代谢物离子，它提供了上层糖酵解标记的读数并报告了 UDP-葡萄糖的分数标记。当 [U-¹³C] 葡萄糖进入糖酵解时，它会产生 ¹³C₆-UDP-葡萄糖（M6），并且这种标记界定了肾髓质。相反，当[U¹³C]甘油用于糖异生时，它会产生¹³C₃-UDP-葡萄糖（M3），并且在肾皮质中明显观察到这种标记。这些数据生动地突出了肾髓质糖酵解和肾皮质糖异生的倾向。

肾脏糖酵解和糖异生活性的iso成像流程和空间分布

基于在髓质和皮质中观察到的糖酵解和糖异生的空间差异，研究人员假设循环营养物质对 TCA 循环底物的贡献存在区域差异。研究人员为小鼠注入与显著能量底物相对应的 ¹³C 标记的营养示踪剂，并使用 TCA 循环中间苹果酸的同位素标记探究每个循环碳源对 TCA 循环的贡献。结果表明，谷氨酰胺和柠檬酸盐优先用于皮质，而脂肪酸用于髓质。

在小鼠肾脏中，区域性营养偏好为TCA循环提供底物

接下来，研究人员将注意力转向另一个具有明确解剖区域的主要器官，即大脑。在大脑中，研究人员观察到在生酮饮食下三羧酸循环和谷氨酸的碳输入的空间梯度。在富含碳水化合物的饮食中，葡萄糖始终占主导地位为 TCA 循环提供底物。但在生酮饮食中出现了使用葡萄糖与 3-羟基丁酸盐的区域差异，3-羟基丁酸在海马中的作用最强，在中脑中的作用最小。