連珠炮：北大學者接連開發探尋大腦的兩種熒光探針

圖片來源：Pixabay

撰文 | 李 可（北京林業大學博士研究生）

責編 | 惠家明

知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual

最近，來自北京大學生命科學學院的李毓龍課題組，連續開發出了兩種特異性神經遞質探針，分別適用於體外體內監測乙醯膽鹼和多巴胺信號。兩種探針具有極高的靈敏度、特異性、信噪比、動力學和光穩定性，可以精確檢測多種動物活體的乙醯膽鹼或多巴胺變化情況。其優異的性能已在十幾種神經元以及一些非神經細胞中得到了驗證。7月9日和7月12日，《自然·生物技術》（Nature Biotechnology）和《細胞》（Cell）分別報告了這兩種技術。

「這無疑是神經科學研究的一個突破，可能會揭示令人興奮的發現。我們迫不及待地想在我們的系統中測試它，而類似的方法可以用來設計其他神經遞質的探針。」 密歇根大學教授、神經科學專家許獻忠（Shawn Xu）在評論新型乙醯膽鹼探針時說：「我很興奮，期待看到更多這樣的探針開發。」

神經遞質是人體內部的「信使」，負責為神經細胞傳遞信號，在肢體運動與思維活動中不可或缺。其中，乙醯膽鹼是人類發現的第一種神經遞質，負責調節肌肉收縮、激素分泌、學習記憶等過程。一旦它的信號傳遞失常，人們就有可能被先天性肌肉萎縮、糖尿病等疾病纏身。多巴胺也是極其重要的神經遞質,參與調控我們的學習記憶、控制運動、感受褒獎，而帕金森症、多動症的發病原因可能就與多巴胺的失調有關。

要更好地研究這些神經遞質在生理、病理過程中扮演的角色，研究人員需要實時檢測活體內特定腦區的神經遞質信號變化，看清它們的「一舉一動」。然而，傳統的檢測手段不夠靈敏，很難滿足研究人員的需求。

這一新型探針的原理在於，其利用神經遞質的人源G蛋白偶聯受體作為探針的骨架，並把對結構變化敏感的熒光蛋白（cpEGFP）嵌入受體。受體與神經遞質結合後會引發構象變化，而構象變化則會被轉換為熒光信號。接下來，研究者結合現有的成像技術，就能看到神經遞質濃度實時變化情況。換句話說，新型探針把「難以捉摸」的神經遞質變化情況變成了直觀、易測的熒光信號。在此基礎上，研究者還對探針進行了全方位的優化，使具有極高的分子特異性和時空解析度（時間上達到毫秒級，空間上可精確至單細胞）。

7月12日，Cell發表李毓龍實驗室關於多巴胺探針的文章，並將之作為亮點推薦。

「我們用這個原理開發了一系列的神經遞質探針，說明這個方法具有很好的可推廣性，為今後大規模開發其他神經遞質、神經調質探針奠定了紮實的研究基礎。」李毓龍向《知識分子》表示。

由於該類探針具有可基因編碼的特性，研究者可以通過轉染、病毒注射以及構建轉基因動物等手段，將新型探針表達在細胞、小鼠腦片，以及活體果蠅、斑馬魚及小鼠中。

實驗結果表明，即使該探針長時間存留在動物體內，也不會對其生長狀態產生明顯影響。用電刺激小鼠腦片時，新型探針可以敏銳檢測到其間的多巴胺釋放。並且，當活體的動物大腦受到嗅覺刺激、視覺刺激，或是進行學習記憶、交配等行為時，其相關的多巴胺信號變化都能被探針顯示出來。

「相比於傳統的神經遞質檢測方法，新探針擁有基因編碼、高靈敏性、高特異性、快速的動力學反應等優勢。」乙醯膽鹼探針研究論文的共同第一作者、北京大學博士井淼介紹說。

多巴胺探針研發論文的共同第一作者、李毓龍實驗室博士研究生孫芳妙補充道：「傳統手段無法實現同時對於多個神經元感受神經遞質信息的記錄，並且難以達到細胞特異性和足夠的時空解析度，而新型探針可以做到。」

美國密歇根大學生命科學學院教授葉冰（Bing Ye）介紹說：「以前的幾種方法存在兩類主要局限：一類是方法的時空解析度過低；另一類則在於只能檢測單個細胞，因而無法得到某一腦區的整體觀。而該類探針的出現，解決了這兩個看似不可調和的局限。」

對於該類探針的應用前景，美國科學院院士、斯坦福大學教授駱利群評論說：「我認為這是一個重要的進步，將被社會廣泛使用。」

中國科學技術大學教授、神經生物學家畢國強則表示：「這是一個大家期待許久的重要突破。我非常期待大家應用這個工具取得新的研究成果。」他談到，研究者巧妙地利用了天然的神經遞質受體與熒光蛋白結合，再利用大規模突變篩選，研發出這個能夠直接把神經遞質信號轉換為熒光信號的高效探針，為整個領域提供了一個「非常酷」而且有用的工具。

關於未來的研究計劃，李毓龍表示，他們會綜合受體的結構信息，利用分子生物學手段，繼續提升探針的信噪比。接下來，他們將致力於開發包括神經肽在內的多種神經遞質、調質的探針，甚至是不同光譜範圍或是基於生物發光的探針，以滿足同行們更多的研究需求。

參考文獻：

1. Jing M, Zhang P, Wang G, et al. A genetically encoded fluorescent acetylcholine indicator for in vitro and in vivo studies.2018. Nature Biotechnology.

2. Sun F.M, Zeng J.Z, Jing M, et al. A Genetically Encoded Fluorescent Sensor Enables Rapid and Specific Detection of Dopamine in Flies, Fish, and Mice. 2018. Cell.

製版編輯 | 黃玉瑩

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