【TargetMol 明星分子】- Lactate oxidase: 乳酸代谢与信号调控的关键酶，助力肿瘤与代谢研究突破

1. 背景介绍

Lactate oxidase (T78348)，CAS: 9028-72-2 是一种依赖 FMN 的黄素酶，选择性催化 L-乳酸被氧化为丙酮酸，并将分子氧还原为过氧化氢。该酶直接作用于内源代谢物 L-乳酸，将代谢通量控制与氧化还原信号耦联；在高乳酸产生与外排的系统中，其反应一方面迅速降低乳酸供给，另一方面产生活性明确的 H2O2，由此对关键信号网络产生底物耗竭与氧化信号双重影响。 在机制层面，Lactate oxidase 通过清除驱动信号的乳酸，破坏依赖乳酸活化的 RAS 与 PI3K 致瘤信号，并使这些通路在以乳酸为代谢与旁分泌线索的情境下失联。乳酸可支撑 RAS–PI3K–AKT–mTOR 回路，既通过为代谢通量提供支撑，又通过前馈稳态强化生长信号；在高糖酵解微环境中，这种作用尤为突出[1,2]。乳酸的酶促去除使上述依赖输入崩塌，从而削弱 RAS 与 PI3K 节点的级联传导。与此同时，反应产物 H2O2 可调制胱氨酸敏感型磷酸酶与激酶，短暂重塑磷酸化动力学。二者协同，收敛于 RAS、PI3K、AKT 及下游代谢检查点。 在通路结构上，Lactate oxidase 主要介入内源代谢网络而非单一受体轴：其通过改变跨单羧酸转运体的乳酸梯度、牵动 LDH 催化的丙酮酸–乳酸平衡，以及影响细胞表面的乳酸感知，从而反馈至与 PI3K、RAS 相关的级联，尤其在富乳酸微环境中更为显著[1,2]。因此，该酶可作为精确工具，将乳酸驱动的信号与其他生长输入解耦，进行因果性验证。 这些特性赋予其显著研究用途。在线上生化检测中，反应定量生成的 H2O2 可与过氧化物酶偶联，实现对乳酸的高灵敏度测定，适用于体液分析与活细胞通量评估；在细胞与组织模型中，通过局部或条件培养基添加，可滴定细胞外乳酸，解析 RAS/PI3K 输出（如 AKT、ERK 磷酸化）的响应，并剖析其与糖酵解、线粒体呼吸及氧化还原缓冲的串扰。联合应用 PI3K、MEK、单羧酸转运或 LDH 抑制剂，可定位乳酸在层级中的位置并揭示协同敏感点[1,2]。实验需关注氧供、通过加用过氧化氢酶区分乳酸耗竭与 H2O2 效应，并结合乳酸/丙酮酸比、磷酸化组学与 ROS 探针等读出，以获得可解释性。总体而言，Lactate oxidase 既用于分析性识别乳酸通量，也用于在模型体系中熄灭乳酸活化的 RAS 与 PI3K 信号，阐明内源代谢回路如何在高乳酸环境中塑造致瘤网络行为。

2. 文献分享

2.1 An integrated microchannel biosensor platform to analyse low density lactate metabolism in HepG2 cells in vitro

▲ 通过基于Lactate oxidase的生物传感器平台检测不同浓度乳酸的安培i–t曲线、建立乳酸校准曲线，并比较工作电极与空白电极的响应以验证线性和选择性，证实Lactate oxidase可用于乳酸的高灵敏检测。

Lactate oxidase (T78348) 在该研究中作为生物识别与催化核心，被制备并固定于电化学生物传感平台中。文中明确指出，在该乳酸生物传感器内，Lactate oxidase 将乳酸转化，并生成过氧化氢这一中间体，同时产物为丙酮酸；其反应过程表述为“乳酸 + O2 → 丙酮酸 + H2O2”。为实现有效固定化，研究者将壳聚糖与碳纳米管混合，制备用于固定 Lactate oxidase 的生物材料。具体而言，首先以 pH 7.0 的 PBS 溶解 Lactate oxidase，制备 10 mg mL−1 的酶溶液；随后将该 Lactate oxidase 溶液与壳聚糖/碳纳米管前驱液按体积比 1:2 充分混合，获得用于构建传感器的功能性配方。依据作者的描述，Lactate oxidase 催化产生的过氧化氢中间体与后续在 Prussian blue/铂电极表面的过程形成衔接，从而完成从底物转化到可测物种的化学序列。综上，研究报告了 Lactate oxidase 的制备浓度、缓冲条件与混配比例，以及其在传感器中所实现的乳酸向丙酮酸并伴随过氧化氢生成的催化作用与固定化实现路径。[3]

2.2 Reducing l ‐lactate release from hippocampal astrocytes by intracellular oxidation increases novelty induced activity in mice

▲ 通过在HEK293细胞、离体培养星形胶质细胞及脑干组织切片中表达Lactate oxidase，经检测条件培养基中乳酸释放量、安培法测定胞外乳酸张力及Laconic FRET比率监测胞内乳酸变化，证实Lactate oxidase可有效降低乳酸释放并改变乳酸代谢动力学。

Lactate oxidase (T78348) 被用于在星形胶质细胞中调控乳酸代谢。研究表明，Lactate oxidase 的持续活性可分解星形胶质细胞糖酵解产生的乳酸，从而降低细胞内乳酸浓度并减少向细胞外的释放；其将乳酸降解为丙酮酸的过程还会生成过氧化氢。在原代星形胶质细胞中，表达 Lactate oxidase 降低了细胞内乳酸库，并限制了乳酸的释放。在以丙酮酸促转运触发的乳酸外排实验中，表达 Lactate oxidase 的培养物中，细胞内乳酸下降幅度显著减小。在脑干器官型切片中，表达 Lactate oxidase 的星形胶质细胞使转加速驱动的细胞外乳酸释放幅度降低了65.8%，随后反映可用细胞内乳酸库的耗竭幅度降低了78.5%。与此一致，目标定位于星形胶质细胞的 Lactate oxidase 使器官型切片中的转加速乳酸外排显著下降。在体内，海马星形胶质细胞特异性表达 Lactate oxidase 的小鼠，对新环境刺激的反应性增强。以上结果共同说明，星形胶质细胞表达 Lactate oxidase 能加速细胞内乳酸分解，降低细胞内乳酸可用性，限制刺激诱发的乳酸释放，并提升与新奇性相关的行为反应。[4]

2.3 Lactate metabolism regulation enhances cuproptosis to activate antitumor immunity: Synergistic therapy of hyaluronic acid nanomicelles delivering lactate oxidase/copper-doped carbon dots combined with α-PD-L1 inhibits distant tumors.

▲ 通过在CT26细胞中检测Lactate oxidase处理后胞内乳酸浓度、pH荧光信号、HIF-1α/VEGF/PD-L1蛋白表达、H₂O₂水平及铜死亡相关蛋白表达，并结合HIF-1α敲除验证，证实Lactate oxidase可调节乳酸代谢并影响HIF-1α/VEGF信号通路。

Lactate oxidase (T78348) 在本研究中被证明可特异性催化乳酸分解，并将乳酸氧化为丙酮酸与过氧化氢，同时消耗质子。实验结果显示，自由态的 Lactate oxidase 能提升细胞内过氧化氢水平；其催化产生的原位过氧化氢为铜介导的类芬顿反应提供了充足底物，构成后续氧化过程的物质基础。温和光热刺激可降低 Lactate oxidase 与乳酸底物结合的活化能，加速酶-底物复合物形成与产物解离；同时，适度升温缓解载体壳层分子缠结、提高底物扩散并增加 Lactate oxidase 与底物的接触频率，从而加速乳酸代谢并持续产生原位过氧化氢。表征方面，谱图中观察到可归属为 Lactate oxidase 的酰胺 I 与酰胺 II 吸收峰，并据此确认其已成功固定于透明质酸纳米胶束中。除此之外，文中还指出 Lactate oxidase 介导的代谢可削弱 HIF-1α 稳定性并下调 PD-L1 表达。上述证据共同表明，Lactate oxidase 在该研究体系中负责乳酸氧化与质子消耗，提升细胞内过氧化氢，并在光热条件下表现出更高的催化效率与持续产物生成，同时其在纳米体系中的固定化得到验证，并呈现对 HIF-1α 与 PD-L1 的下行调控作用。[5]

2.4 Immobilized Metal Affinity Beads for Recombinant Protein Analysis by Desorption Electrospray Ionization Mass Spectrometry.

▲ Lactate oxidase 在磁珠上固定后仍保持酶活性，可将 lactate 转化为 pyruvate。

Lactate oxidase (T78348) 具有黄素单核苷酸辅因子，并在有氧条件下将乳酸转化为丙酮酸和过氧化氢。本研究中，带有组氨酸标签的 Lactate oxidase 先在Ni-NTA磁珠上捕获，随后使用含甲酸的喷雾溶剂在DESI-MS分析中促使其从珠面释放并获得可检测谱图，同时在磁珠上仍保持酶活。为表征活性，研究者在承载已捕获蛋白的干燥磁珠斑点上滴加2 μL、500 μM的乳酸钠（100 mM醋酸铵），并在室温湿度腔中孵育1小时后进行分析。对照斑点（无蛋白）仅检测到m/z 89的乳酸峰；而与固定化的 Lactate oxidase 共孵育后，光谱中m/z 89显著衰减并近乎完全转为m/z 87，对应丙酮酸。尽管反应光谱显示乳酸几近完全转化，但丙酮酸峰强约为对照中乳酸峰强的一半，作者将其归因于电离效率差异；在等摩尔条件下，乳酸的离子强度约为丙酮酸的两倍。方法学重复性方面，Lactate oxidase 最高强度电荷态的响应相对标准偏差约为20%，乳酸对照峰的标准偏差约为24%，反应后丙酮酸峰的标准偏差约为42%。[6]

3. 结语

Lactate oxidase通过催化L-乳酸氧化为丙酮酸并生成过氧化氢，双重调控乳酸代谢与氧化还原信号。文献表明，该酶通过耗竭乳酸底物和调节H2O2介导的磷酸化动力学，破坏依赖乳酸的RAS和PI3K致瘤信号通路。其已被成功固定化用于高灵敏乳酸检测，星形胶质细胞表达调控乳酸代谢及行为反应，纳米胶束中固定化促进抗肿瘤免疫。未来可进一步开发其在肿瘤、神经及感染领域的靶向治疗潜力，优化固定化技术提升生物传感性能，深入解析其在多种生理病理条件下的代谢信号调控机制。

4. Q&A

Q1: Lactate oxidase主要催化的反应是什么？

A1: Lactate oxidase催化L-乳酸氧化为丙酮酸，同时将分子氧还原为过氧化氢，反应式为乳酸 + O2 → 丙酮酸 + H2O2。

Q2: Lactate oxidase如何影响致瘤信号通路？

A2: 该酶通过耗竭维持乳酸激活的RAS与PI3K信号的乳酸底物，并通过生成H2O2调节胱氨酸敏感型磷酸酶和激酶，破坏RAS–PI3K–AKT–mTOR回路及其下游代谢检查点。

Q3: Lactate oxidase在哪些研究领域和应用中发挥作用？

A3: Lactate oxidase已被固定化用于电化学生物传感器中进行高灵敏乳酸检测，星形胶质细胞内表达调控乳酸代谢及行为反应，固定化于透明质酸纳米胶束中提升抗肿瘤免疫。

5. 参考文献

[1] Vander Heiden MG, Cantley LC, Thompson CB. Understanding the Warburg effect: the metabolic requirements of cell proliferation. Science. 2009;324(5930):1029-1033.

[2] Sonveaux P, Vegran F, Schroeder T, Wergin MC, Verrax J, Rabbani ZN, et al. Targeting lactate-fueled respiration selectively kills hypoxic tumor cells in mice. Proc Natl Acad Sci U S A. 2008;105(51):19306-19311.

[3] Mi S, Xia J, Xu Y, Du Z, Sun W. An integrated microchannel biosensor platform to analyse low density lactate metabolism in HepG2 cells in vitro. RSC Advances. 2019;9(16):9006-9013.

[4] Vaccari Cardoso B, Shevelkin A, Terrillion C, Mychko O, Mosienko V, Kasparov S, et al.. Reducing l ‐lactate release from hippocampal astrocytes by intracellular oxidation increases novelty induced activity in mice. Glia. 2021;69(5):1241-1250.

[5] Zhang H, Zhu X, Wang J, Huo Y, Ma Y, Rong S, et al.. Lactate metabolism regulation enhances cuproptosis to activate antitumor immunity: Synergistic therapy of hyaluronic acid nanomicelles delivering lactate oxidase/copper-doped carbon dots combined with α-PD-L1 inhibits distant tumors.. Materials today. Bio. 2026;40():103508.

[6] Taylor C, Parvin S, Shafiepour F, Stull F, Venter A. Immobilized Metal Affinity Beads for Recombinant Protein Analysis by Desorption Electrospray Ionization Mass Spectrometry.. Journal of the American Society for Mass Spectrometry. 2026;37(8):1964-1970.