李毓龍實驗室升級五羥色胺探針實現超高靈敏度的雙色成像詳解

瀏覽次數：1389　發布日期：2024-3-13　來源：本站　僅供參考，謝絕轉載，否則責任自負

北京大學李毓龍實驗室在Nature Methods雜志在線發表了題為“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）成功開發出了全新的紅色5-HT熒光探針和新一代綠色5-HT熒光探針，并通過光纖記錄和大視場成像等方式實現了在活體小鼠多腦區、多行為范式下對5-HT和其它信號的同時檢測。

01、新一代5-HT探針的開發

李毓龍團隊將已有的神經遞質探針中的熒光報告模塊移植到不同5-HT受體亞型中，通過不斷迭代優化開發了新一代的5-HT綠色探針g5-HT3.0和全新的紅色探針r5-HT1.0（圖1）。

圖1. 改進的綠色5-HT探針和全新的紅色5-HT探針的開發與刻畫

為了以更高的靈敏度“看得清”5-HT的動態變化，g5-HT3.0結合了高親和力和高反應兩個優點。體外平行對比實驗表明，相較于親和力較高的g5-HT1.0，g5-HT3.0的最大反應約是它的6倍，同時保持了較高的親和力；相較于反應較大的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量級的五羥色胺濃度范圍內表現出更大的反應。

02、活體動物中5-HT時空動態的監測

開發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勢，研究了5-HT及其它神經化學信號的時空特征。

為了在神經化學信號種類上“看得多”，r5-HT1.0能與其它綠色熒光探針進行雙色成像，實現了不同信號的同時檢測。本研究中，在小鼠基底前腦（Basal Forebrain，BF）同時記錄了5-HT能神經元軸突的鈣活動（綠色GCaMP6s）以及軸突釋放的5-HT（紅色r5-HT1.0）的動態變化，發現二者存在很高的相關性（圖2）。

圖2. 光纖雙色記錄基底前腦的5-HT和5-HT能神經元軸突鈣信號

為了在成像區域上“看得廣”，本研究結合了大視場熒光成像技術和新的g5-HT3.0探針，實現大尺度、多腦區的5-HT實時監測。首次在小鼠背側皮層監測到了不同條件下的5-HT釋放特征，如發現了睡眠覺醒周期存在5-HT水平的動態變化，尤其是非快速眼動睡眠（non-rapid eye movement，NREM）期間的震蕩，而同一時刻不同腦區則展現出相對均一的變化（圖3）。結合雙色成像進一步發現，在癲癇的病理條件下，背側皮層存在著5-HT“波”的傳播，并且5-HT“波”緊隨著鈣“波”或者內源大麻素“波”進行傳播。以上結果展現了5-HT在大腦不同狀態下具有空間特異性的調控特征，為深入理解其功能提供了有力的工具。

圖3. 睡眠覺醒周期小鼠背側皮層5-HT的時空動態

視頻1. 小鼠癲癇模型中5-HT和鈣“波”的傳播

視頻2. 小鼠癲癇模型中5-HT和內源大麻素“波”的傳播

03、總結

本研究開發了全新的紅色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程中5-HT的時空動態特征，實現了活體動物中5-HT動態監測的突破——即從“看得見”到“看得清”、“看得多”和“看得廣”，加深了對5-HT能系統的了解。這些探針也將為相關領域的研究提供強有力的工具，進一步推動新的科學發現與見解的產生。