活細(xì)胞成像在中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）疾病和紊亂研究中的應(yīng)用

     研究人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）疾病和紊亂的原因以尋求有效的治療方式需要體外和體內(nèi)疾病模型，這些模型真實(shí)的再現(xiàn)了各自的神經(jīng)病理生理情況，同時(shí)也通過(guò)必要的細(xì)胞機(jī)制支持神經(jīng)元以提供翻譯結(jié)果的治療方式作出反應(yīng)^1-3。  

 

      此外，我們需要研究最早的神經(jīng)病理生理變化，因?yàn)檫@些變化為早期診斷和干預(yù)提供了絕佳機(jī)會(huì)。神經(jīng)突觸的結(jié)構(gòu)和功能變化通常是許多神經(jīng)退行性疾病和中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中最早的病理變化。

 

      為了檢測(cè)早期的突觸功能障礙，科學(xué)家們利用活細(xì)胞成像技術(shù)來(lái)提供單細(xì)胞影像，并實(shí)時(shí)分析實(shí)驗(yàn)條件的變化情況下細(xì)胞形態(tài)變化。本通訊討論了活體細(xì)胞成像在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病和疾病的體外和體內(nèi)研究中的應(yīng)用。

 

      設(shè)計(jì)與生物學(xué)相關(guān)的體外和體內(nèi)活細(xì)胞成像實(shí)驗(yàn)需要健康、成熟的神經(jīng)元，神經(jīng)元需要具有適當(dāng)?shù)耐挥|結(jié)構(gòu)和功能（即形態(tài)和電活性）（下圖）。主要成像目標(biāo)是突觸前和突觸后結(jié)構(gòu)和相關(guān)蛋白（例如，突觸囊泡蛋白、神經(jīng)遞質(zhì)受體、離子通道、支架蛋白或細(xì)胞骨架蛋白[F-actin、微管]），因?yàn)樗鼈兪亲钤绨l(fā)生病理變化的基質(zhì)⁴（下圖）。

 

  

 

      評(píng)估突觸結(jié)構(gòu)或功能變化的方法包括測(cè)量突觸密度、軸突長(zhǎng)度、脊椎密度、節(jié)點(diǎn)（軸突在細(xì)胞體上的位置）、樹(shù)突分支或電活動(dòng)⁴。  

 

      體外培養(yǎng)的哺乳動(dòng)物神經(jīng)元的活細(xì)胞成像，包括人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（hipsc）來(lái)源的神經(jīng)元，由于它與人類神經(jīng)元之間具有更大的生物學(xué)相關(guān)性⁸，能夠揭示與人類神經(jīng)退行性疾�。ㄈ绨�爾茨海默�。ˋD）和帕金森�。┫嚓P(guān)的獨(dú)特的機(jī)理和功能發(fā)現(xiàn)。載脂蛋白E（apoe-E）是一種與AD發(fā)病密切相關(guān)的蛋白，但apoe-E及其代謝產(chǎn)物在神經(jīng)元生理學(xué)中的作用尚未得到重視。

 

      近期研究發(fā)現(xiàn)，分化的SH-SY5Y神經(jīng)母細(xì)胞瘤經(jīng)25kDa片段或全長(zhǎng)apoe-E長(zhǎng)期治療后顯示出神經(jīng)增生（通過(guò)活細(xì)胞成像評(píng)估軸突長(zhǎng)度和細(xì)胞融合的陽(yáng)性變化）⁹，初步藥物篩選研究也受益于這種方法。在AD中，兩種最常見(jiàn)的藥物靶點(diǎn)是淀粉樣β蛋白（aβ）和tau蛋白，因?yàn)檫@兩種蛋白都對(duì)突觸有早期病理作用^5-7。

 

      近年來(lái)，有學(xué)者對(duì)HIPSC來(lái)源的神經(jīng)元進(jìn)行了活體細(xì)胞成像，篩選出幾種抗病理性Aβ的候選抗體，通過(guò)在不同梯度抗體孵育時(shí)間和濃度范圍內(nèi)量化軸突長(zhǎng)度和樹(shù)突分支點(diǎn)的變化來(lái)評(píng)估陽(yáng)性免疫治療結(jié)果¹⁰。

 

 

 

 

人誘導(dǎo)神經(jīng)元（INS）分化過(guò)程0-21天的活細(xì)胞成像

 

 

      在另一項(xiàng)Aβ研究中，Hong等人¹¹對(duì)活體HIPSC衍生神經(jīng)元進(jìn)行了成像，用從死后人類大腦提取物中分離出的Aβ低聚物對(duì)這些神經(jīng)元進(jìn)行處理，通過(guò)定量分析軸突長(zhǎng)度和突觸可塑性的變化，并結(jié)合長(zhǎng)期電位記錄來(lái)評(píng)估低聚物的病理生理特性。

 

      隨著對(duì)tau構(gòu)象敏感的第一個(gè)基因編碼的促進(jìn)共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）傳感器的誕生，tau蛋白成為一項(xiàng)新技術(shù)的焦點(diǎn)，該傳感器監(jiān)測(cè)了活的hela細(xì)胞和永生的HT22海馬神經(jīng)元在藥物治療后，微管（mts）存在和不存在的情況下野生型和病理突變的tau蛋白的構(gòu)象 ¹²，這個(gè)tau-FRET傳感器提供了非常寶貴的定量和定性數(shù)據(jù)，涉及tau與mts結(jié)合的調(diào)節(jié)、可溶性與不溶性（病理性）tau的比率和如何影響tau的構(gòu)象以利于非病理形式。

 

 

 

 

Tau蛋白構(gòu)象敏感傳感器（CST）在活細(xì)胞中的成像

 

 

      體內(nèi)動(dòng)物模型是體外細(xì)胞培養(yǎng)模型的補(bǔ)充，動(dòng)物神經(jīng)元的活體細(xì)胞成像通常使用雙光子顯微鏡進(jìn)行，這種顯微鏡允許在自然狀態(tài)下和在互聯(lián)支持網(wǎng)絡(luò)的較大環(huán)境中觀察功能性神經(jīng)元的單細(xì)胞影像¹³，通過(guò)這種方式，動(dòng)物體內(nèi)的活細(xì)胞成像產(chǎn)生了變革性，研究者有機(jī)會(huì)實(shí)時(shí)可視化的分析細(xì)胞動(dòng)態(tài)過(guò)程。

 

      此外，單細(xì)胞體內(nèi)成像可對(duì)感覺(jué)、行為變化和藥物治療過(guò)程中的神經(jīng)元功能反應(yīng)進(jìn)行量化¹³。體內(nèi)雙光子活細(xì)胞成像被應(yīng)用于尋找抗帕金森（PD）藥物的靶向α-突觸核蛋白的作用機(jī)制¹⁴，以及評(píng)估將胚胎細(xì)胞移植到受損成人大腦區(qū)域以替換死亡或即將死亡的神經(jīng)原^15-17的可行性和最佳時(shí)機(jī)、宿主和供體條件。

 

      此外，體內(nèi)成像可以揭示新的治療方法，MPTP小鼠PD模型活細(xì)胞成像顯示，MPTP處理小鼠運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)和功能突觸可塑性受多巴胺能神經(jīng)元選擇性丟失的影響，提高了調(diào)控運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)特定區(qū)域的神經(jīng)元活動(dòng)是治療PD相關(guān)運(yùn)動(dòng)損傷的可行選擇的可能性¹⁸。

 

 

PD小鼠模型中運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)脊柱的動(dòng)態(tài)變化

      總結(jié)

      活體細(xì)胞成像技術(shù)是研究中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病和障礙的寶貴工具，它不僅能讓研究者對(duì)基本疾病/障礙生物學(xué)進(jìn)行深入的了解，而且能實(shí)時(shí)了解藥理、遺傳和行為治療干預(yù)的功能后果。再加上超分辨率顯微鏡和自動(dòng)化活細(xì)胞成像技術(shù)的進(jìn)步¹⁹，我們有很好的機(jī)會(huì)來(lái)關(guān)注第一次病理性突觸變化，這種變化可以通過(guò)早期治療干預(yù)來(lái)停止或逆轉(zhuǎn)。

 

      艾美捷科技能為您提供全套的有價(jià)值的研究工具：如Cytoskeleton的用于f-actin、微管、DNA和溶酶體的活細(xì)胞成像探針，以及純化的細(xì)胞骨架蛋白、活化分析和抗體；iRegene的人源神經(jīng)干細(xì)胞（hNSC）細(xì)胞株、配套的干細(xì)胞培養(yǎng)基及神經(jīng)元定向培養(yǎng)基；StressMarq的活性α突觸蛋白和Tau蛋白等優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，都可以對(duì)這些研究起到很大推動(dòng)作用。

 

      Cytoskeleton的活細(xì)胞成像相關(guān)產(chǎn)品：

 

      活細(xì)胞成像試劑盒：

    廠家內(nèi)部質(zhì)檢：

      Actin生化試劑盒：  

 

      Tubulin生化試劑盒：

 

 

       iRegene的人源干細(xì)胞株及配套培養(yǎng)試劑盒：  

 

      StressMarq的活性α突觸蛋白和Tau蛋白，便于快速構(gòu)建神經(jīng)疾病動(dòng)物模型：  

 

 

      參考文獻(xiàn)：

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