文献解析|Nature Protocols报道华东理工氧化还原代谢成像新进展：开启全景式实时动态分析新时代

引言

2018年9月26日，国际权威学术期刊Nature Protocols在线报道了华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室、药学院杨弋教授、赵玉政教授课题组在氧化还原代谢成像领域的最新研究成果：“Analysis of redox landscapes and dynamics in living cells and in vivo using genetically encoded fluorescent sensors”。这一突破性进展不仅为理解物质与能量代谢的调节机制提供了创新性的研究工具，也为衰老及相关疾病的诊断与创新药物发现提供了重要技术支撑。

一、氧化还原代谢物的重要性与挑战

1.1 氧化还原代谢物的核心作用

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH/NAD+）、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH/NADP+）、巯基/二硫键（-SH/-SS-）以及活性自由基（ROS），作为生物体内最主要的氧化还原代谢物，在细胞代谢、信号转导以及细胞生长、增殖、衰老和死亡等过程中发挥着至关重要的作用。这些代谢物的动态平衡不仅维持着细胞正常的生理功能，还与多种疾病的发生发展密切相关。

1.2 传统方法的局限性

然而，传统的生化方法依赖于细胞裂解，难以在活细胞、亚细胞以及活体水平原位实时追踪这些代谢物的变化。此外，这些方法在应用于高通量的化合物或基因筛选时也存在诸多困难，严重制约了相关领域的发展。因此，开发一种能够在活细胞、亚细胞以及活体水平原位实时追踪氧化还原代谢物变化的技术显得尤为重要。

二、高性能荧光探针的研发与应用

2.1 荧光探针的设计与性能

为了解决上述科学难题，杨弋教授、赵玉政教授课题组针对核心氧化还原代谢物NADH/NAD+和NADPH/NADP+，发展了系列高性能的荧光探针。这些荧光探针具有灵敏度高、特异性强、稳定性好等优点，能够在活细胞、亚细胞以及活体水平实现对氧化还原代谢物的原位、实时、动态监测。

2.2 高通量分析方法的建立

基于这些高性能的荧光探针，研究团队进一步建立了原位、实时、动态的高通量分析方法。该方法不仅适用于单个细胞的氧化还原代谢状态监测，还能够实现对大量细胞或活体样本的快速、准确分析。这一方法的建立为药物筛选、疾病诊断以及代谢网络研究提供了强有力的技术支持。

三、氧化还原“全景式”实时动态分析技术的构建

3.1 技术的创新点

利用多个遗传编码的荧光蛋白探针，研究团队首次在单细胞和活体水平建立了氧化还原“全景式”实时动态分析技术。这一技术能够同时监测多种氧化还原代谢物的动态变化，实现对细胞或活体氧化还原状态的全面、系统、灵活有力的研究。

3.2 技术的优势与应用

相比于传统的生化或成像方法，氧化还原“全景式”实时动态分析技术具有诸多优势。首先，它能够提供更为全面、系统的氧化还原代谢信息，有助于揭示代谢网络中的复杂关系。其次，该技术具有高度的灵活性和可扩展性，可推广到其他遗传编码的荧光探针，也可使用多种分析平台如荧光显微镜、高内涵成像系统、流式细胞仪和酶标仪等。最后，该技术能够实现对细胞或活体氧化还原状态的实时动态监测，为疾病诊断、药物筛选以及代谢网络研究提供了更为准确、可靠的数据支持。

四、氧化还原“全景式”实时动态分析技术的应用案例

4.1 不同细胞器氧化还原状态的研究

利用氧化还原“全景式”实时动态分析技术，研究团队对不同细胞器的氧化还原状态进行了深入研究。他们发现，不同细胞器在氧化还原代谢过程中扮演着不同的角色，其氧化还原状态的动态变化与细胞代谢、信号转导等过程密切相关。这一发现为揭示细胞代谢的调节机制提供了重要线索。

4.2 细胞周期动态过程的监测

此外，研究团队还利用该技术对细胞周期的动态过程进行了监测。他们发现，在细胞周期的不同阶段，氧化还原代谢物的动态变化呈现出明显的规律性。这一发现不仅有助于揭示细胞周期调控的分子机制，还为癌症等疾病的诊断与治疗提供了新的思路。

4.3 巨噬细胞活化过程的解析

巨噬细胞作为免疫系统的重要组成部分，在炎症反应、组织修复等过程中发挥着重要作用。研究团队利用氧化还原“全景式”实时动态分析技术对巨噬细胞的活化过程进行了深入解析。他们发现，在巨噬细胞活化过程中，氧化还原代谢物的动态变化与炎症因子的释放、细胞迁移等过程密切相关。这一发现为揭示巨噬细胞活化机制以及炎症性疾病的诊断与治疗提供了重要依据。

4.4 斑马鱼氧化还原状态的研究

斑马鱼作为一种重要的模式生物，在发育生物学、疾病模型等领域具有广泛应用。研究团队利用氧化还原“全景式”实时动态分析技术对斑马鱼的氧化还原状态进行了深入研究。他们发现，在斑马鱼的发育过程中，氧化还原代谢物的动态变化与胚胎发育、组织分化等过程密切相关。这一发现为揭示斑马鱼发育机制以及人类疾病模型的建立提供了重要参考。

五、氧化还原“全景式”实时动态分析技术的意义与展望

5.1 对生命科学的意义

鉴于氧化还原在细胞代谢的中心作用及其在疾病诊疗中的重要性，氧化还原“全景式”实时动态分析技术的开发与应用不仅为人们更好地理解物质与能量代谢的调节机制和代谢网络提供了创新性的研究工具，也为衰老及相关疾病的诊断与创新药物发现提供了重要技术支撑。这一技术的出现将极大地推动生命科学领域的发展，为人类生命健康事业做出重要贡献。

5.2 未来的研究方向与展望

尽管氧化还原“全景式”实时动态分析技术已经取得了显著的进展，但仍存在许多挑战和问题需要解决。例如，如何进一步提高荧光探针的灵敏度和特异性？如何实现对更多种类氧化还原代谢物的监测？如何将该技术应用于更复杂的生物系统和疾病模型中？这些问题将是未来研究的重要方向。

此外，随着生物信息学、系统生物学等学科的快速发展，将氧化还原“全景式”实时动态分析技术与这些学科相结合，开展多组学、多维度、多层次的研究，将有助于揭示生命现象的复杂性和多样性，为生命科学领域的发展开辟新的道路。

六、研究团队与成果介绍

6.1 研究团队简介

本研究团队由华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室、药学院的杨弋教授和赵玉政教授领导。团队成员具有丰富的科研经验和创新精神，致力于氧化还原代谢成像领域的研究。在科研特区和“特聘研究员”计划相关政策的支持下，团队近几年在Nature Methods、Cell Metabolism、Nature Protocols等国际权威期刊上发表了多篇高水平研究成果，为相关领域的发展做出了重要贡献。

6.2 论文作者介绍

论文的第一作者为华东理工大学的博士生邹叶君和王傲雪。他们在导师的指导下，积极参与了本研究工作，为论文的撰写和发表做出了重要贡献。通讯作者为赵玉政教授和杨弋教授，他们作为本研究团队的领军人物，为研究的顺利开展提供了有力的指导和支持。

6.3 赵玉政教授简介

赵玉政教授是前沿科学研究院光遗传学交叉学科研究中心的PI，也是华东理工大学首位特聘研究员。他获得了国家优秀青年科学基金、中国科协首批“青年人才托举工程”优秀人才、上海青年科技英才、上海市青年拔尖人才、上海市青少年科技创新“市长”奖等多项荣誉。在科研工作中，他始终保持着高度的热情和创新精神，为推动相关领域的发展做出了杰出贡献。

七、研究资助与合作单位

本研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划项目、上海市科委项目、中国科协“青年人才托举工程”、上海市青年拔尖人才计划、生物反应器工程国家重点实验室基金、教育部基本科研业务费等科研项目资助。这些资助为研究的顺利开展提供了有力的经费保障。

此外，本研究工作还得到了暨南大学、哈佛大学医学院等国内外知名高校和研究机构的科学家们的支持和合作。他们为研究的开展提供了宝贵的建议和技术支持，推动了研究的深入进行。

八、结语

氧化还原代谢成像作为生命科学领域的重要研究方向之一，对于揭示生命现象的复杂性和多样性具有重要意义。华东理工大学生物反应器工程国家重点实验室、药学院杨弋教授、赵玉政教授课题组在氧化还原代谢成像领域取得的最新研究成果不仅为相关领域的发展提供了创新性的研究工具和技术支撑，也为人类生命健康事业做出了重要贡献。未来，随着相关技术的不断发展和完善，相信氧化还原代谢成像领域将取得更加丰硕的成果和突破性的进展。