2022年3月31日，《自然評(píng)論·神經(jīng)科學(xué)》（Nature Reviews Neuroscience）期刊在線發(fā)表了北京大學(xué)李毓龍團(tuán)隊(duì)關(guān)于神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)調(diào)質(zhì)檢測(cè)技術(shù)前沿進(jìn)展的研究綜述，題為“Pushing the Frontiers:Tools for Monitoring Neurotransmitters and Neuromodulators”。該綜述著重對(duì)方法學(xué)進(jìn)行了論述，以期對(duì)“新技術(shù)推動(dòng)新發(fā)現(xiàn)”帶來(lái)啟示與幫助。

在神經(jīng)系統(tǒng)中，神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)調(diào)質(zhì)是細(xì)胞之間交流的媒介，具有廣泛且重要的調(diào)控作用。然而，神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)調(diào)質(zhì)又被稱(chēng)為大腦中的“暗物質(zhì)”，由于缺乏高時(shí)空分辨率的體內(nèi)檢測(cè)工具，其在生理或病理?xiàng)l件下的動(dòng)態(tài)變化一直難以精確評(píng)估。以高時(shí)空精度監(jiān)測(cè)特定神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)調(diào)質(zhì)的濃度和動(dòng)態(tài)可以為解碼健康和疾病狀態(tài)下神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中細(xì)胞間通訊提供重要信息。該綜述全面總結(jié)了可用于監(jiān)測(cè)神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)調(diào)質(zhì)動(dòng)態(tài)變化的方法，著重介紹了基因編碼熒光探針的最新進(jìn)展，及其如何助力對(duì)復(fù)雜神經(jīng)活動(dòng)的深入刻畫(huà)和解析。

該綜述首先回顧了傳統(tǒng)非基因編碼的檢測(cè)工具的優(yōu)勢(shì)和局限。譬如，微透析技術(shù)雖然能夠在活體動(dòng)物中檢測(cè)目標(biāo)區(qū)域周?chē)纳窠?jīng)遞質(zhì)濃度，但需要數(shù)分鐘來(lái)收集樣品，難以快速地追蹤神經(jīng)遞質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化；而傳統(tǒng)的電生理、電化學(xué)等方法同樣也都具有一定的局限性。在綜述的主體部分，作者著重總結(jié)了基因編碼的神經(jīng)遞質(zhì)熒光探針的設(shè)計(jì)原理、主要特性、應(yīng)用、局限性以及未來(lái)展望。

與傳統(tǒng)的方法相比，熒光成像方法通常具有更高的時(shí)空分辨率和較小的侵入性，更適合測(cè)量神經(jīng)遞質(zhì)的動(dòng)態(tài)變化；基因編碼的熒光探針，不僅可以在特定細(xì)胞類(lèi)型特異性表達(dá)，也能用于長(zhǎng)時(shí)程成像。目前已開(kāi)發(fā)的基因編碼神經(jīng)遞質(zhì)熒光探針主要分為兩類(lèi)，分別以細(xì)菌周質(zhì)結(jié)合蛋白（PBP）為骨架和以G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）為骨架。以PBP為骨架開(kāi)發(fā)的探針包括谷氨酸探針iGluSnFR等，而以GPCR為骨架開(kāi)發(fā)的探針包括多巴胺探針GRABDA和dLight等。兩類(lèi)探針在親和力、選擇性、動(dòng)力學(xué)和藥理學(xué)特性上各有千秋、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，為精細(xì)檢測(cè)神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)調(diào)質(zhì)的動(dòng)態(tài)調(diào)控提供了有力工具。

圖1.基因編碼神經(jīng)遞質(zhì)熒光探針的原理和特性

在應(yīng)用方面，文中提到可以根據(jù)研究的需求和探針的特性選擇合適的工具，并舉例說(shuō)明了基因編碼神經(jīng)遞質(zhì)熒光探針的應(yīng)用。與光纖記錄系統(tǒng)結(jié)合，基因編碼的腺苷探針可以在自由活動(dòng)小鼠中精細(xì)刻畫(huà)睡眠-覺(jué)醒時(shí)腺苷的動(dòng)態(tài)變化；與寬場(chǎng)顯微鏡結(jié)合，基因編碼的谷氨酸探針能夠在整個(gè)皮層水平監(jiān)測(cè)視覺(jué)刺激時(shí)谷氨酸的動(dòng)態(tài)變化；而與雙光子顯微鏡結(jié)合，基因編碼的乙酰膽堿探針使得對(duì)視網(wǎng)膜中乙酰膽堿動(dòng)態(tài)精確追蹤成為可能。此外，基于五羥色胺受體改造的探針則在促進(jìn)藥物發(fā)現(xiàn)方面具有巨大的應(yīng)用前景。

圖2.基因編碼神經(jīng)遞質(zhì)熒光探針與多種成像方法的結(jié)合及應(yīng)用

該綜述也對(duì)神經(jīng)遞質(zhì)探針未來(lái)的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行了展望。對(duì)于探針工具開(kāi)發(fā)而言，新一代的探針將朝著更靈敏、更特異、更快速和更多色等方向發(fā)展。對(duì)于探針工具應(yīng)用而言，新的基因編碼神經(jīng)遞質(zhì)熒光探針將使研究人員能夠在細(xì)胞、組織和模式動(dòng)物等多層面以前所未有的細(xì)節(jié)刻畫(huà)神經(jīng)遞質(zhì)的動(dòng)態(tài)特性，為深入理解高度復(fù)雜的神經(jīng)活動(dòng)打開(kāi)了新的窗口；同時(shí)，這些新探針?biāo)鶐?lái)的全新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)也將為諸多神經(jīng)疾病的預(yù)防、診斷和治療提供重要線索和啟示。

該研究綜述的第一作者是北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院武照伐博士，通訊作者是李毓龍教授，紐約大學(xué)（NYU）的DayuLin教授為該綜述的撰寫(xiě)作出了重要貢獻(xiàn)；該研究綜述相關(guān)的研究工作獲得了北京市科委、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、生物醫(yī)學(xué)峰基金、勃林格殷格翰博士后基金、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心和膜生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等基金的資助。

值得一提的是，2022年3月22日，李毓龍團(tuán)隊(duì)和美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校（UC Davis）的LinTian團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)邀在Annual Review of Neuroscience雜志合作撰寫(xiě)了題為“Fluorescence Imaging of Neural Activity,Neurochemical Dynamics,and Drug-Specific Recept or Conformation with Genetically Encoded Sensors”的研究綜述。該綜述系統(tǒng)介紹了基因編碼熒光探針的發(fā)展歷史與工作原理，并聚焦神經(jīng)遞質(zhì)探針，討論了其在神經(jīng)科學(xué)研究與藥物研發(fā)中的應(yīng)用。與前一篇綜述不同的是，這篇文章著重介紹了基因編碼神經(jīng)遞質(zhì)探針的開(kāi)發(fā)流程，并建立了指導(dǎo)探針優(yōu)化的理論模型。該研究綜述的共同第一作者是UC Davis的博士生董春陽(yáng)和北京大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心博士生鄭宇，通訊作者是李毓龍教授和LinTian教授；該研究綜述相關(guān)的研究工作獲得美國(guó)腦計(jì)劃、北京市科委、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金和騰訊基金會(huì)等基金的資助。

來(lái)源：北京大學(xué)