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为解决研究 L - 乳酸（L-Lactate）在细胞内外作用缺乏有效工具的问题，研究人员开展了光笼化 L - 乳酸（MNI-L-lac）的合成及应用研究。结果表明 MNI-L-lac 光照可释放 L - 乳酸，激活 GPR81，有望用于探究 L - 乳酸在代谢和信号通路中的作用。
在生物代谢的舞台上，L - 乳酸（L-Lactate）曾被视为葡萄糖代谢的 “废弃产物”，然而近年来的研究却为其正名，它摇身一变成为在神经系统、肿瘤微环境、免疫系统等多个领域发挥关键作用的 “明星分子”。L - 乳酸不仅能作为能量来源，还能作为信号分子参与多种生理过程，比如激活 G 蛋白偶联受体 81（GPR81），通过 Gi 介导抑制腺苷酸环化酶（Adenylyl cyclase），降低细胞内 cAMP 水平，参与大脑功能调节、脂质代谢、炎症调控等重要活动。
但探索 L - 乳酸的细胞内外作用却困难重重，关键原因在于缺乏能够精准扰动细胞内和细胞外 L - 乳酸浓度的有效工具。就好比想要深入了解一场演出中某个重要演员的全部戏份，却没有合适的道具来配合他表演一样。为了突破这一困境，来自东京大学化学系等多个研究机构的研究人员展开了一项极具意义的研究。
研究人员的目标是开发一种光笼化的 L - 乳酸衍生物，使其能在光照时精准释放 L - 乳酸，以此来研究 L - 乳酸在生物体内的作用。经过努力，他们成功合成了 4 - 甲氧基 - 7 - 硝基吲哚基 - L - 乳酸（4-methoxy-7-nitroindolinyl-L-lactate，MNI-L-lac）。
为了合成 MNI-L-lac，研究人员可谓煞费苦心。他们最初尝试采用与合成 MNI-Glu 类似的策略，却遇到了诸多阻碍，如硝化反应无法在预期位置发生。最终，通过先保护 L - 乳酸乙酯的羟基，再依次进行一系列反应，成功得到了目标产物 MNI-L-lac。
研究人员对 MNI-L-lac 进行了全面的表征。通过测量其在 365nm UV 光照下不同时间的 UV-Vis 吸收光谱，发现随着光照时间增加，吸收峰发生红移，并有明显等吸收点，10 分钟光照后转化完成度达 90%。利用商业 L - 乳酸检测试剂盒定量分析，结果显示光照后 L - 乳酸释放量超过理论预期浓度的 86±8%，且在缓冲和非缓冲溶液中的解笼效率无显著差异。
在体外实验中，研究人员使用了之前报道的基因编码 L - 乳酸生物传感器 eLACCO1。实验结果表明，MNI-L-lac 本身不会引起 eLACCO1 的明显荧光响应，但光照后，eLACCO1 的荧光响应随光照时间增加而增强，8 分钟光照后达到最大。通过滴定实验测定 L - 乳酸和光照 10 分钟的 MNI-L-lac 的表观解离常数（Kd），二者数值接近，进一步证实 MNI-L-lac 光照释放的是 L - 乳酸。
在细胞实验中，研究人员分别使用表达 eLACCO2.1 或 deLACCO1 的 HeLa 细胞检测细胞外 L - 乳酸浓度变化，以及使用表达 R-iLACCO1.2 或 R-diLACCO1 的 HeLa 细胞检测细胞内 L - 乳酸浓度变化。结果发现，MNI-L-lac 解笼可引起细胞外 L - 乳酸浓度升高，导致 eLACCO2.1 荧光响应变化；在细胞内实验中，虽然 MNI-L-lac 细胞膜通透性较差，但释放的 L - 乳酸仍能使细胞内 L - 乳酸浓度增加，引起 R-iLACCO1.2 荧光变化。
此外，研究人员还探究了 MNI-L-lac 对信号通路的影响。他们利用表达 GPR81 和 cAMP 生物传感器 cAMPinG1 的 HeLa 细胞，发现 MNI-L-lac 解笼可激活 GPR81，导致细胞内 cAMP 水平下降，cAMPinG1 荧光强度降低。
这项研究成果意义重大，MNI-L-lac 的成功开发为研究 L - 乳酸在代谢和信号通路中的作用提供了有力工具，尽管其存在细胞膜通透性差的局限性，但仍为后续研究指明了方向。该研究成果发表在《Communications Chemistry》上。
研究人员在开展这项研究时，主要运用了以下关键技术方法：化学合成技术，用于合成 MNI-L-lac；光谱分析技术，如 UV-Vis 吸收光谱测定，用于研究 MNI-L-lac 的光解过程；生物传感器技术，利用基因编码的 L - 乳酸生物传感器和 cAMP 生物传感器，检测 L - 乳酸浓度变化和信号通路激活情况；细胞培养和转染技术，培养 HeLa 细胞并转染相关质粒，进行细胞水平的实验研究。
在研究结果部分：
- MNI-L-lac 合成：通过保护 L - 乳酸乙酯的羟基，再进行一系列反应，成功合成 MNI-L-lac。
- 光物理表征：UV-Vis 吸收光谱显示光照使 MNI-L-lac 吸收峰红移，10 分钟光照转化完成度达 90%，L - 乳酸释放量超理论预期 86±8%。
- 体外表征：eLACCO1 荧光实验表明 MNI-L-lac 光照释放 L - 乳酸，滴定实验证实释放的是 L - 乳酸。
- 细胞水平表征：在 HeLa 细胞中，MNI-L-lac 解笼可改变细胞外和细胞内 L - 乳酸浓度，引起相应生物传感器荧光变化。
- 激活信号通路：在表达 GPR81 和 cAMPinG1 的 HeLa 细胞中，MNI-L-lac 解笼激活 GPR81，降低细胞内 cAMP 水平。
研究结论和讨论部分指出，MNI-L-lac 能在光照下释放 L - 乳酸，且该过程可被基因编码的生物传感器有效检测，证明了 MNI-L-lac 与生物传感器在研究 L - 乳酸中的互补性。虽然 MNI-L-lac 细胞膜通透性差限制了其细胞内应用，但释放的 L - 乳酸能有效进入细胞，且 MNI-L-lac 可激活 GPR81，调节细胞内 cAMP 水平。这为进一步研究 L - 乳酸的时空动态提供了实用工具，有望推动对 L - 乳酸在复杂生理和病理过程中作用的理解，也为后续开发更高效的光笼化 L - 乳酸类似物奠定了基础 。
