撰文丨王聰

編輯丨王多魚

排版丨水成文

神經(jīng)化學(xué)信號，包括神經(jīng)遞質(zhì)、神經(jīng)調(diào)質(zhì)和細(xì)胞內(nèi)信號分子，在介導(dǎo)各種大腦功能的網(wǎng)絡(luò)中動態(tài)調(diào)節(jié)，并對神經(jīng)疾病產(chǎn)生影響。多巴胺（DA）是最重要的神經(jīng)調(diào)質(zhì)之一，它與乙酰膽堿（ACh）等其他神經(jīng)調(diào)質(zhì)以及 cAMP、Ca2+ 等細(xì)胞內(nèi)信號之間有著錯綜復(fù)雜的相互作用。解讀這些神經(jīng)化學(xué)信號網(wǎng)絡(luò)對于理解行為及其相關(guān)障礙背后的神經(jīng)機(jī)制至關(guān)重要。然而，目前的基因編碼探針僅限于綠色和紅色光譜，這阻礙了對多種神經(jīng)化學(xué)信號進(jìn)行實(shí)時(shí)同步檢測。因此，迫切需要擴(kuò)大神經(jīng)調(diào)質(zhì)探針的光譜范圍，使其涵蓋遠(yuǎn)紅光和近紅外（NIR）波長（波長大于 650 nm）。

2025 年 6 月 5 日，北京大學(xué)李毓龍團(tuán)隊(duì)在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Science上發(fā)表了題為：In vivo multiplex imaging of dynamic neurochemical networks with designed far-red dopamine sensors 的研究論文。

該研究開發(fā)了一種名為HaloDA1.0的基因編碼多巴胺熒光探針，其工作在遠(yuǎn)紅光譜范圍內(nèi)，能夠與現(xiàn)有的綠色和紅色熒光探針搭配，可在體外培養(yǎng)細(xì)胞、急性腦片、斑馬魚及活體小鼠中實(shí)現(xiàn)三色成像或記錄，還能夠研究清醒動物體內(nèi)涉及多種神經(jīng)遞質(zhì)的復(fù)雜回路。

多巴胺（DA）通過與其他神經(jīng)調(diào)質(zhì)和細(xì)胞內(nèi)信號通路的復(fù)雜相互作用，在多種大腦功能中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，由于難以在活體中同時(shí)檢測多種神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)，對 這些復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的研究一直受到阻礙。

通過利用 G 蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）和循環(huán)重排熒光蛋白（cpFP），李毓龍團(tuán)隊(duì)等開發(fā)了一系列基于綠色和紅色 GPCR 激活的（GRAB）探針，能夠在體內(nèi)以高時(shí)空分辨率檢測神經(jīng)調(diào)質(zhì)。然而，利用遠(yuǎn)紅/近紅外蛋白來拓展這一策略存在挑戰(zhàn)，原因在于現(xiàn)有的遠(yuǎn)紅/近紅外熒光蛋白性能欠佳。將蛋白質(zhì)標(biāo)簽與羅丹明衍生物相結(jié)合則提供了一種很有前景的替代方法，能夠?qū)崿F(xiàn)寬廣的光譜范圍和高亮度。

研究團(tuán)隊(duì)將 cpHaloTag-化學(xué)染料法與 GRAB 策略相結(jié)合，從而創(chuàng)建了——HaloDA1.0，這是首個基于單個蛋白質(zhì)的遠(yuǎn)紅光化學(xué)遺傳神經(jīng)調(diào)質(zhì)探針。憑借其遠(yuǎn)紅光波長，HaloDA1.0 與現(xiàn)有的綠色和紅色探針相結(jié)合，為同時(shí)監(jiān)測三種神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)提供了機(jī)會。

HaloDA1.0 展示了強(qiáng)大的靈敏度、高特異性、亞秒級響應(yīng)動力學(xué)以及與多種遠(yuǎn)紅化學(xué)染料的兼容性。將 HaloDA1.0 與另外兩種神經(jīng)調(diào)質(zhì)探針結(jié)合應(yīng)用于急性小鼠腦切片中，在電刺激和藥物干預(yù)后實(shí)現(xiàn)了對三種關(guān)鍵神經(jīng)調(diào)質(zhì)——多巴胺（DA）、乙酰膽堿（ACh）和內(nèi)源性大麻素（eCB）的同時(shí)成像。在斑馬魚幼魚中，HaloDA1.0 實(shí)現(xiàn)了多巴胺、ATP 和Ca2+ 的三色成像，揭示了在電擊和急性癲癇發(fā)作期間的協(xié)同激活模式。體內(nèi)染料篩選進(jìn)一步證實(shí)了 HaloDA1.0 在活體小鼠中使用硅-羅丹明熒光染料的有效性能。這使得在進(jìn)行光遺傳學(xué)操作的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)雙色記錄。

此外，HaloDA1.0 還實(shí)現(xiàn)了伏隔核內(nèi)多巴胺、乙酰膽堿和 cAMP 自發(fā)信號以及與行為相關(guān)的信號的同時(shí)多色記錄，揭示了不同的調(diào)節(jié)模式，并為細(xì)胞內(nèi) cAMP 信號的協(xié)同調(diào)節(jié)提供了全面的視角。

同時(shí)監(jiān)測多種神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)的遠(yuǎn)紅光多巴胺傳感器的開發(fā)及應(yīng)用

總的來說，該研究開發(fā)了一種化學(xué)遺傳遠(yuǎn)紅熒光多巴胺探針——HaloDA1.0，它能夠在體外和體內(nèi)實(shí)現(xiàn)對多巴胺的靈敏檢測，該探針在監(jiān)測不同生物系統(tǒng)（包括培養(yǎng)的神經(jīng)元、急性腦切片、斑馬魚以及活體小鼠）中的多種神經(jīng)化學(xué)信號方面具有顯著優(yōu)勢。這一策略有助于我們更深入地理解各種神經(jīng)化學(xué)信號之間的復(fù)雜相互作用，為神經(jīng)回路功能的研究開辟了新途徑，并有助于更好地理解神經(jīng)和精神疾病。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt7705