Nat Bio Eng | 将大脑血管转化为光探测器，检测大脑深处的生物发光

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原创 图灵基因 图灵基因 2024-05-23 10:11 江苏

    科学家们可以用生物发光探针（发光的蛋白质）标记细胞，从而可以追踪肿瘤的生长，或者测量细胞分化过程中基因表达的变化。虽然这项技术在身体的细胞和某些组织中效果良好，但它很难应用于大脑深处的图像结构，因为光在被检测到之前散射太多。

    麻省理工学院的工程师们现在开发了一种新的方法来检测大脑中的这种生物发光。他们在大鼠模型中测试了他们的技术，他们设计了大脑血管，使其表达一种蛋白质，这种蛋白质会使其在光照下扩张。然后可以使用磁共振成像（MRI）观察这种扩张，使研究人员能够精确定位光源。该团队将这项技术称为利用血液动力学的生物发光成像，简称BLUsH，它可以使研究人员比以前更详细地探索大脑的内部运作。

   “我们在神经科学以及其他领域面临的一个众所周知的问题是，在深层组织中使用光学工具是非常困难的。”麻省理工学院生物工程、大脑与认知科学以及核科学与工程教授Alan Jasanoff博士说，“我们研究的核心目标之一是找到一种方法，以相当高的分辨率对深层组织中的生物发光分子进行成像。”

       Jasanoff也是麻省理工学院麦戈文脑研究所的副研究员，是该团队在《Nature Biomedical Engineering》杂志上发表的题为“Imaging bioluminescence by detecting localized haemodynamic contrast from photosensitized vasculature”的报告的资深作者。前麻省理工学院博士后Robert Ohlendorf博士和Nan Li博士是这篇论文的主要作者。




    生物发光蛋白存在于许多生物体中，包括水母和萤火虫。科学家们用这些蛋白质来标记特定的蛋白质或细胞，这些蛋白质或细胞的发光可以通过光度计检测到。作者写道：“生物发光探针被广泛用于监测活体动物的生物医学相关过程和细胞靶点。”其中一种经常用于此目的的蛋白质是荧光素酶，它有多种形式，可以发出不同的颜色。虽然生物发光成像（BLI）可用于使用光学检测研究广泛的分子和细胞过程，“尽管如此，生物发光探针在体内的定位仍会因发射光在骨骼和软组织中的散射和衰减而严重受损。”该团队继续说道，“这在大脑中尤其是个问题，因为头骨会阻碍光子的传播，尤其是短波长的光子。”




       Jasanoff的实验室专门开发使用MRI对大脑成像的新方法，他们想找到一种方法来检测大脑深处的荧光素酶。为了实现这一点，他们想出了一种将大脑血管转化为光探测器的方法。一种形式的核磁共振成像是通过对大脑中血流的变化进行成像来工作的，因此研究人员设计了血管本身，使其通过扩张来对光线做出反应。他们写道：“我们最近发现，工程蛋白和肽可以用来将分子信号转化为血流的变化，这种变化可以用核磁共振成像或其他血流动力学成像技术灵敏地检测到。在这项研究中，我们使用血液动力学（BLUsH）来实现BLI策略。”




   “血管是功能性MRI和其他非侵入性成像技术成像对比的主要来源，所以我们认为我们可以通过将血管本身光敏化，将这些技术固有的血管成像能力转化为对光成像的手段。”Jasanoff指出。




    研究人员对其进行了改造，使其表达一种名为Beggiatoa光激活腺苷酸环化酶（bPAC）的细菌蛋白。当暴露在光线下时，这种酶会产生一种叫做cAMP的分子，这种分子会导致血管扩张。当血管扩张时，它会改变氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的平衡，这两种血红蛋白具有不同的磁性。这种磁性的变化可以通过核磁共振成像检测到。“在BLUsH模式中，生物发光报告子激活血管细胞中表达的光依赖性光感受器蛋白，并刺激下游信号级联反应。”该团队进一步解释道，“这些信号事件反过来会导致局部血管扩张，并可通过MRI或其他成像方式检测到血流动力学对比度。”




       bPAC对波长较短的蓝光有特殊的反应，因此它可以检测近距离内产生的光。研究人员使用病毒载体将bPAC基因特异性地传递到构成血管的平滑肌细胞中。当这种载体被注射到大鼠体内时，大脑中大片区域的血管变得对光敏感。“血管在大脑中形成了一个非常密集的网络。大脑中的每个细胞都在血管的几十微米范围内。”Jasanoff说，“我喜欢描述我们的方法的方式是，我们基本上把大脑的血管系统变成了一个三维相机。”




    一旦血管对光敏感，研究人员就会植入经过改造的细胞，如果存在一种名为CZT的基质，这些细胞就会表达荧光素酶。在大鼠身上，研究人员能够通过MRI检测到荧光素酶，MRI显示血管扩张。




    研究人员随后测试了他们的技术是否可以检测到大脑自身细胞产生的光，如果这些细胞被改造成表达荧光素酶的话。他们将一种名为GLuc的荧光素酶基因输送到大脑深层纹状体区域的细胞中。当将CZT基质注射到动物体内时，MRI成像显示出发光的部位。




    作者设想，他们的BLUsH平台可以以多种方式帮助科学家更多地了解大脑。首先，它可以通过将荧光素酶的表达与特定基因联系起来，来绘制基因表达的变化图。这可以帮助研究人员观察基因表达在胚胎发育和细胞分化过程中的变化，或新的记忆形成时的变化。萤光素酶还可以用于绘制细胞之间的解剖连接图或揭示细胞之间的交流方式。

    研究人员现在计划探索其中的一些应用，并将该技术应用于小鼠和其他动物模型。研究人员总结道：“BLUsH技术的扩展可以包括其对其他发光报告因子的检测，包括化学发光探针和可感知细胞信号或其他生物事件的替代荧光素酶。”该团队写道，提出了一些潜在的用途，“未来的应用可以采用荧光素类似物，这些类似物被设计用于更好的血脑屏障通透性，或用于具有不同基质选择性的荧光素酶变体的多路并行检测……因此，BLUsH为将强大的光学报告技术与最先进的深层组织血液动力学成像联系起来提供了基础。我们预计，这种合成将使分子和细胞过程的多样性能够在任何大小的活体动物的一系列时空尺度上进行研究。”

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