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

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)又被稱為大腦中的“暗物質(zhì)”，由于缺乏高時空分辨率的體內(nèi)檢測工具，其在生理或病理條件下的動態(tài)變化一直難以精確評估。以高時空精度監(jiān)測特定神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)調(diào)質(zhì)的濃度和動態(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)測神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)調(diào)質(zhì)動態(tài)變化的方法，著重介紹了基因編碼熒光探針的最新進展，及其如何助力對復(fù)雜神經(jīng)活動的深入刻畫和解析。

該綜述首先回顧了傳統(tǒng)非基因編碼的檢測工具的優(yōu)勢和局限。譬如，微透析技術(shù)雖然能夠在活體動物中檢測目標區(qū)域周圍的神經(jīng)遞質(zhì)濃度，但需要數(shù)分鐘來收集樣品，難以快速地追蹤神經(jīng)遞質(zhì)的動態(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)計原理、主要特性、應(yīng)用、局限性以及未來展望。

與傳統(tǒng)的方法相比，熒光成像方法通常具有更高的時空分辨率和較小的侵入性，更適合測量神經(jīng)遞質(zhì)的動態(tài)變化；基因編碼的熒光探針，不僅可以在特定細胞類型特異性表達，也能用于長時程成像。目前已開發(fā)的基因編碼神經(jīng)遞質(zhì)熒光探針主要分為兩類，分別以細菌周質(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為骨架開發(fā)的探針包括谷氨酸探針iGluSnFR等，而以GPCR為骨架開發(fā)的探針包括多巴胺探針GRABDA和dLight等。兩類探針在親和力、選擇性、動力學(xué)和藥理學(xué)特性上各有千秋、優(yōu)勢互補，為精細檢測神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)調(diào)質(zhì)的動態(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小鼠中精細刻畫睡眠-覺醒時腺苷的動態(tài)變化；與寬場顯微鏡結(jié)合，基因編碼的谷氨酸探針能夠在整個皮層水平監(jiān)測視覺刺激時谷氨酸的動態(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視網(wǎng)膜中乙酰膽堿動態(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

該綜述也對神經(jīng)遞質(zhì)探針未來的發(fā)展與應(yīng)用進行了展望。對于探針工具開發(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胞、組織和模式動物等多層面以前所未有的細節(jié)刻畫神經(jīng)遞質(zhì)的動態(tài)特性，為深入理解高度復(fù)雜的神經(jīng)活動打開了新的窗口；同時，這些新探針所帶來的全新的科學(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作出了重要貢獻；該研究綜述相關(guān)的研究工作獲得了北京市科委、國家重點研發(fā)計劃、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)國家重點實驗室等基金的資助。

值得一提的是，2022年3月22日，李毓龍團隊和美國加州大學(xué)戴維斯分校（UC Davis）的LinTian團隊應(yīng)邀在Annual Review of Neuroscience雜志合作撰寫了題為“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腦計劃、北京市科委、國家杰出青年科學(xué)基金和騰訊基金會等基金的資助。

來源：北京大學(xué)