同位素是指質(zhì)子數(shù)相同、中子數(shù)不同的原子 (如 ¹H 與 ²H，¹²C 與 ¹³C)。穩(wěn)定同位素標記技術(shù) (如 ²H、¹³C、¹⁵N 等) 因其無放射性、安全性高的特點，已成為現(xiàn)代代謝研究的核心技術(shù)。

這些被同位素標記的標記分子可以通過核磁共振或質(zhì)譜儀進行精準檢測，其獨特的質(zhì)量偏差特征使研究人員能夠?qū)崟r追蹤代謝物的動態(tài)變化，就像給生物分子裝上了精確 GPS 定位系統(tǒng)，實時追蹤其變化^[2]。

圖 1. 同位素產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖。

 
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同位素標記物:
為什么選擇甘氨酸和肌酸？

研究者大多選擇甘氨酸和肌酸同位素標記物作為研究對象，主要基于以下四個主要原因：
 
1. 表型發(fā)現(xiàn)：老年 UCP1 基因敲除 (KO) 小鼠表現(xiàn)出意料之外的代謝表型---雖然棕色脂肪功能缺失，但肌肉質(zhì)量和糖代謝能力顯著優(yōu)于對照組。
2. 代謝組學(xué)證據(jù)：非靶向代謝組學(xué)分析顯示， KO 小鼠的 iWAT 和骨骼肌肉中肌酸水平顯著升高。
3. 生理重要性：肌酸是肌肉中能量代謝的核心分子，通過磷酸肌酸系統(tǒng)能快速補充 ATP。
4. 合成路徑：甘氨酸是肌酸合成的直接前體，同位素標記甘氨酸可追溯整個合成過程。

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同位素標記: 解開 "新" 奧秘

為了驗證“脂肪-肌肉肌酸轉(zhuǎn)運”的假說，研究者設(shè)計了兩組精妙的同位素追蹤實驗，揭開了“能量快遞”的奧秘：

實驗一：Glycine-¹³C₂ 追蹤肌酸合成

1. 動物處理：對 12 月齡 UCP1-KO 與 WT 小鼠各 8 只，禁食 4 h 后局部 iWAT 局部注射 Glycine-¹³C₂（200 mg/kg）
2. 時間控制：在肌酸合成峰值期（注射后 6 小時）取材
3. 樣本處理：A 快速分離 iWAT 組織并液氮速凍  B 甲醇 / 水 / 氯仿三相萃取 C 離心取水相后真空濃縮 D 80% 甲醇復(fù)溶
4. 分析檢測：采用 LC-MS 系統(tǒng)（Q-TOF 質(zhì)譜，分辨率 > 22000）分析 ¹³C-肌酸含量

實驗二：Creatinine-d₃ 追蹤轉(zhuǎn)運途徑

1. 動態(tài)示蹤：iWAT 注射 Creatinine-d₃（100 mg/kg）后，在 0、2、6、12 小時分批取材
2. 多組織分析：同步采集 iWAT、股四頭肌（QU）和血清樣本
3. 質(zhì)譜檢測：圖 A 特征離子檢測 (m/z 132.0774，Creatinine-d₃ 特征峰) 圖 B 校正自然同位素本底 (Creatinine-d₀、Creatinine-d₁、Creatinine-d₂)

研究者由于應(yīng)用了同位素標記的甘氨酸和肌酸，讓這項研究有以下重大突破： 

1. 來源解析：普通檢測無法分辨肌酸來源，而同位素標記能明確區(qū)分內(nèi)源性合成與外源性攝取的肌酸分子
2. 動態(tài)監(jiān)測：可實時觀察肌酸從合成到轉(zhuǎn)運的全過程
3. 定量精準：通過同位素富集率精確計算代謝通量
4. 多系統(tǒng)認知：同時揭示脂肪和肌肉組織的代謝協(xié)同機制

圖 2. 肌酸介導(dǎo)的 iWAT 和骨骼肌之間的串擾決定了體外和離體的肌肉糖酵解功能^[1]。
A) 注射到 iWAT 中的 ¹³C₂ -甘氨酸的代謝通量分析和 iWAT 中標記肌酸的檢測。B) 注射到 iWAT 中的 D3 -肌酸的代謝通量分析和 QU 肌肉中標記肌酸的檢測。

 
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同位素標記物: 應(yīng)用潛力

通過同位素標記物的精確示蹤，該研究不僅解釋了 UCP1-KO 小鼠的代謝代償機制，更重要的是揭示了 iWAT 作為肌酸生物工廠的新功能，證實了器官間代謝支援是重要的抗衰老機制。為開發(fā)靶向肌酸代謝的抗衰老干預(yù)策略提供理論基礎(chǔ)。而同位素標記技術(shù)，讓我們得以窺見生物體在衰老過程中激活的精妙代償網(wǎng)絡(luò)，為理解衰老本質(zhì)和開發(fā)抗衰老干預(yù)措施提供了全新視角。

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[1] Qiu J, et al. Ucp1 Ablation Improves Skeletal Muscle Glycolytic Function in Aging Mice. Adv Sci (Weinh). 2025 Jan; 12(2):e2411015.
[2] Jyoti P, et al. The Entner-Doudoroff and Nonoxidative Pentose Phosphate Pathways Bypass Glycolysis and the Oxidative Pentose Phosphate Pathway in Ralstonia solanacearum. mSystems. 2020 Mar 10; 5(2):e00091-20.