同位素示蹤技術助力研究衰老代謝關鍵通路
同位素是指質子數相同、中子數不同的原子 (如 1H 與 2H，12C 與 13C)。穩定同位素標記技術 (如 2H、13C、15N 等) 因其無放射性、安全性高的特點，已成為現代代謝研究的核心技術。
這些被同位素標記的標記分子可以通過核磁共振或質譜儀進行精準檢測，其獨特的質量偏差特征使研究人員能夠實時追蹤代謝物的動態變化，就像給生物分子裝上了精確 GPS 定位系統，實時追蹤其變化[2]。
圖 1. 同位素產品結構示意圖。
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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. 表型發現：老年 UCP1 基因敲除 (KO) 小鼠表現出意料之外的代謝表型---雖然棕色脂肪功能缺失，但肌肉質量和糖代謝能力顯著優于對照組。
2. 代謝組學證據：非靶向代謝組學分析顯示， 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-肌肉肌酸轉運”的假說，研究者設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% 甲醇復溶
4. 分析檢測：采用 LC-MS 系統（Q-TOF 質譜，分辨率 > 22000）分析 13C-肌酸含量
實驗二：Creatinine-d3 追蹤轉運途徑
1. 動態示蹤：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分內源性合成與外源性攝取的肌酸分子
2. 動態監測：可實時觀察肌酸從合成到轉運的全過程
3. 定量精準：通過同位素富集率精確計算代謝通量
4. 多系統認知：同時揭示脂肪和肌肉組織的代謝協同機制
圖 2. 肌酸介導的 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。為開發靶向肌酸代謝的抗衰老干預策略提供理論基礎。而同位素標記技術，讓我們得以窺見生物體在衰老過程中激活的精妙代償網絡，為理解衰老本質和開發抗衰老干預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.
