李毓龍實(shí)驗(yàn)室升級(jí)五羥色胺探針實(shí)現(xiàn)超高靈敏度的雙色成像詳解

北京大學(xué)李毓龍實(shí)驗(yàn)室在Nature Methods雜志在線發(fā)表了題為“Improved green and red GRAB sensors for monitoring spatiotemporal serotonin release in vivo”的研究論文，基于GRAB探針策略（GPCR-Activation Based Sensor）成功開(kāi)發(fā)出了全新的紅色5-HT熒光探針和新一代綠色5-HT熒光探針，并通過(guò)光纖記錄和大視場(chǎng)成像等方式實(shí)現(xiàn)了在活體小鼠多腦區(qū)、多行為范式下對(duì)5-HT和其它信號(hào)的同時(shí)檢測(cè)。

01、新一代5-HT探針的開(kāi)發(fā)

李毓龍團(tuán)隊(duì)將已有的神經(jīng)遞質(zhì)探針中的熒光報(bào)告模塊移植到不同5-HT受體亞型中，通過(guò)不斷迭代優(yōu)化開(kāi)發(fā)了新一代的5-HT綠色探針g5-HT3.0和全新的紅色探針r5-HT1.0（圖1）。

圖1. 改進(jìn)的綠色5-HT探針和全新的紅色5-HT探針的開(kāi)發(fā)與刻畫(huà)

為了以更高的靈敏度“看得清”5-HT的動(dòng)態(tài)變化，g5-HT3.0結(jié)合了高親和力和高反應(yīng)兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。體外平行對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，相較于親和力較高的g5-HT1.0，g5-HT3.0的最大反應(yīng)約是它的6倍，同時(shí)保持了較高的親和力；相較于反應(yīng)較大的iSeroSnFR，g5-HT3.0在親和力方面提升了約13000倍，在納摩爾至毫摩爾數(shù)量級(jí)的五羥色胺濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)出更大的反應(yīng)。

02、活體動(dòng)物中5-HT時(shí)空動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)

開(kāi)發(fā)出紅綠雙全的新一代5-HT探針后，作者充分利用這些探針的優(yōu)勢(shì)，研究了5-HT及其它神經(jīng)化學(xué)信號(hào)的時(shí)空特征。

為了在神經(jīng)化學(xué)信號(hào)種類(lèi)上“看得多”，r5-HT1.0能與其它綠色熒光探針進(jìn)行雙色成像，實(shí)現(xiàn)了不同信號(hào)的同時(shí)檢測(cè)。本研究中，在小鼠基底前腦（Basal Forebrain，BF）同時(shí)記錄了5-HT能神經(jīng)元軸突的鈣活動(dòng)（綠色GCaMP6s）以及軸突釋放的5-HT（紅色r5-HT1.0）的動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)二者存在很高的相關(guān)性（圖2）。

圖2. 光纖雙色記錄基底前腦的5-HT和5-HT能神經(jīng)元軸突鈣信號(hào)

為了在成像區(qū)域上“看得廣”，本研究結(jié)合了大視場(chǎng)熒光成像技術(shù)和新的g5-HT3.0探針，實(shí)現(xiàn)大尺度、多腦區(qū)的5-HT實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。首次在小鼠背側(cè)皮層監(jiān)測(cè)到了不同條件下的5-HT釋放特征，如發(fā)現(xiàn)了睡眠覺(jué)醒周期存在5-HT水平的動(dòng)態(tài)變化，尤其是非快速眼動(dòng)睡眠（non-rapid eye movement，NREM）期間的震蕩，而同一時(shí)刻不同腦區(qū)則展現(xiàn)出相對(duì)均一的變化（圖3）。結(jié)合雙色成像進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在癲癇的病理?xiàng)l件下，背側(cè)皮層存在著5-HT“波”的傳播，并且5-HT“波”緊隨著鈣“波”或者內(nèi)源大麻素“波”進(jìn)行傳播。以上結(jié)果展現(xiàn)了5-HT在大腦不同狀態(tài)下具有空間特異性的調(diào)控特征，為深入理解其功能提供了有力的工具。

圖3. 睡眠覺(jué)醒周期小鼠背側(cè)皮層5-HT的時(shí)空動(dòng)態(tài)

視頻1. 小鼠癲癇模型中5-HT和鈣“波”的傳播

03、總結(jié)

本研究開(kāi)發(fā)了全新的紅色5-HT探針和靈敏度大幅提升的綠色5-HT探針，并且使用這些探針研究了不同生理和病理過(guò)程中5-HT的時(shí)空動(dòng)態(tài)特征，實(shí)現(xiàn)了活體動(dòng)物中5-HT動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的突破——即從“看得見(jiàn)”到“看得清”、“看得多”和“看得廣”，加深了對(duì)5-HT能系統(tǒng)的了解。這些探針也將為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供強(qiáng)有力的工具，進(jìn)一步推動(dòng)新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與見(jiàn)解的產(chǎn)生。

想了解更多內(nèi)容，獲取相關(guān)咨詢(xún)請(qǐng)聯(lián)系 

電話：+86-0731-84428665   

伍經(jīng)理：+86-180 7516 6076

徐經(jīng)理：+86-138 1744 2250