Dimethyl [1,4-13C2]Fumarate as a Molecular Sensor for Gluconeogenesis in Renal versus Hepatic Tissues

化学 延胡索酶 体内 柠檬酸循环 糖异生 水解 生物化学 超极化(物理学) 富马酸二甲酯 磷酸烯醇丙酮酸羧激酶 膜 三羧酸 新陈代谢 核磁共振波谱 碳-13核磁共振 肾 膜透性 质子核磁共振 同位素 磁导率 离体 磷酸胆碱 色谱法 膜转运 生物物理学 膜电位
作者
Mai T. Huynh,Sung-Han Lin,Xiaodong Wen,Zohreh Erfani,Jae Mo Park,Zoltán Z. Kovács,Craig R. Malloy
出处
期刊:ACS Sensors [American Chemical Society]
卷期号:11 (8): 7055-7064
标识
DOI:10.1021/acssensors.6c01276
摘要

The TCA cycle intermediate fumarate is converted to malate by fumarase. Because the fumarate dianion enters intact cells slowly but readily penetrates into necrotic cells with compromised membranes, hyperpolarized (HP) [1,4-13C2]fumarate has been established as a molecular imaging probe for detecting cellular necrosis based on its conversion to [1,4-13C2]malate. To broaden its utility to viable cells, we developed HP-13C-labeled fumarate esters, assuming that esterification would improve membrane permeability and cellular uptake. Since fumarate is metabolized through malate to oxaloacetate, a key precursor in gluconeogenesis, we investigated dimethyl [1,4-13C2]fumarate as a potential HP probe for imaging gluconeogenic flux. Liquid-state polarization of HP-dimethyl [1,4-13C2]fumarate exceeded 50%. The HP-13C NMR spectrum displayed a single resonance at 165.39 ppm, with longitudinal relaxation times (T1) of 44 s at 3 T and 47 s at 1 T. In vivo spectra demonstrated rapid ester hydrolysis, yielding a predominant fumarate signal (175.4 ppm) along with smaller peaks corresponding to malate and bicarbonate. Isotopomer analysis of tissue extracts showed robust labeling of the phosphoenolpyruvate (PEP) pool and incorporation into newly synthesized glucose. Glucose production was higher in fasted than in fed rats (kidney: 13% vs 6%; liver: 3.7% vs 1%) and was greater in kidney than in liver. Ex vivo experiments confirmed rapid hydrolysis in rat blood but minimal hydrolysis in human blood, consistent with species-specific differences in carboxylesterase activity.
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