李毓龍實驗室升級五羥色胺探針實現(xiàn)超高靈敏度的雙色成像詳解

北京大學李毓龍實驗室在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，并通過光纖記錄和大視場成像等方式實現(xiàn)了在活體小鼠多腦區(qū)、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(fā)

李毓龍團隊將已有的神經(jīng)遞質(zhì)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(yōu)化開發(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. 改進的綠色5-HT探針和全新的紅色5-HT探針的開發(fā)與刻畫

為了以更高的靈敏度“看得清”5-HT的動態(tài)變化，g5-HT3.0結合了高親和力和高反應兩個優(yōu)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(shù)量級的五羥色胺濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)出更大的反應。

02、活體動物中5-HT時空動態(tài)的監(jiān)測

開發(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，研究了5-HT及其它神經(jīng)化學信號的時空特征。

為了在神經(jīng)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(xiàn)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(jīng)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(tài)變化，發(fā)現(xiàn)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(jīng)元軸突鈣信號

為了在成像區(qū)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(xiàn)大尺度、多腦區(qū)的5-HT實時監(jiān)測。首次在小鼠背側皮層監(jiān)測到了不同條件下的5-HT釋放特征，如發(fā)現(xiàn)了睡眠覺醒周期存在5-HT水平的動態(tài)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(qū)則展現(xiàn)出相對均一的變化（圖3）。結合雙色成像進一步發(fā)現(xiàn)，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(nèi)源大麻素“波”進行傳播。以上結果展現(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. 睡眠覺醒周期小鼠背側皮層5-HT的時空動態(tài)

視頻1. 小鼠癲癇模型中5-HT和鈣“波”的傳播

03、總結

本研究開發(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程中5-HT的時空動態(tài)特征，實現(xiàn)了活體動物中5-HT動態(tài)監(jiān)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(tǒng)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(fā)現(xiàn)與見解的產(chǎn)生。

想了解更多內(nèi)容，獲取相關咨詢請聯(lián)系 

電話：+86-0731-84428665   

伍經(jīng)理：+86-180 7516 6076

徐經(jīng)理：+86-138 1744 2250