能夠實時監測大腦細胞外催產素動態變化的熒光傳感器問世
【化工儀器網 項目成果】我們都知道，催產素有著能夠刺激乳腺分泌乳汁，在分娩過程中促進子宮平滑肌的收縮，促進母愛的作用。然而，這并不是催產素唯一的作用，事實上，催產素還能夠降低人體內腎上腺素酮等工作壓力生長激素的水平，以降低血壓。
催產素是一種由室旁核和下丘腦視上核中的神經元產生的神經肽，用來調節外周組織和中樞神經系統的許多生理過程。催產素神經元主要將軸突發送到垂體后葉，在那里催產素作為促進分娩和哺乳的外周激素釋放到外周循環中。此外，催產素神經元的軸突投射到許多其他大腦區域，以此釋放催產素以調節各種生理功能，例如感覺處理、進食控制、社會認知和情緒。除了作為內源性配體的作用外，催產素也已成為一種潛在的精神疾病治療劑。
但是時至今日，大腦中催產素的動態變化與動物復雜行為之間的關系仍研究較少，其部分原因是由于缺乏合適的技術能夠在體內進行實時檢測。目前可用的方法，如微透析和基于報告基因的檢測都有著一定的局限性，特別是在時間分辨率方面。
因此，在這樣的情況下，急需能夠動態監測腦催產素的技術出現。日前，來自日本金澤大學醫學研究生院的Daisuke Ino助理教授研究團隊開發了一種名為MTRIAOT的靈敏熒光催產素傳感器，這種傳感器能夠檢測小鼠大腦中的多種催產素動力學。
這是一種基于G蛋白(鳥苷三磷酸結合蛋白)偶聯受體的綠色熒光催產素傳感器。他們選擇青鳉OTR (meOTR)作為熒光傳感器的支架，并且通過三個篩選步驟，分別得到了OT-1.0、OT-2.0和OT-3.0。篩選后的最終產物OT-3.0在100 nM OT刺激下具有約720%ΔF/F0熒光響應，并能被OTR拮抗劑所抑制。
對PM的最佳靶向性( HEK293T) 細胞中OT-1.0對OT-3.0的劑量依賴性熒光反應的表征表明，其篩選改善了熒光反應的動態范圍，對半最大有效濃度(EC50)值幾乎沒有改變。研究人員將OT-3.0的熒光模塊命名為MTRIA，并將其更名為MTRIAOT。
研究人員還對該催產素傳感器進行了體內驗證，他們使用腺相關病毒 (AAV)，在OTR表達水平較高的前嗅核(AON)表達MTRIAOT，并進行光纖測定記錄。他們在腦室內輸注不同劑量催產素檢測到在0.2ug及以上劑量的刺激下，熒光強度顯著增加，表明MTRIAOT能夠實時檢測活體大腦中的胞外催產素變化。
此外，他們還通過光誘發AON中催產素的釋放，發現隨著刺激激光功率的增加，且其在體內的動力學特性時間常數足夠穩定，說明MTRIAOT可用于測量體內內源性催產素釋放，具有高靈敏度和快速動力學。并且還發現，社交互動中MTRIAOT的熒光信號逐漸增加，其特征是上升時間常數為~1分鐘，而在提起鼠尾后(應激反應)，MTRIAOT信號迅速上升，達到峰值信號值的平均時間約為6s。證明了MTRIAOT檢測能在幾秒鐘內迅速出現催產素響應的實用性。
研究人員還發現，麻醉對大腦催產素水平具有抑制作用，并且食物剝奪會干擾催產素振蕩，研究人員將這種現象命名為“催產素湍流”，并且隨著年齡的增長，催產素振蕩反應的頻率也會逐漸減緩。
該研究通過結合病毒基因傳遞并利用光纖光度介導的熒光測量，試驗了該傳感器在活體小鼠中實時檢測大腦催產素動態變化的功能，并表明催產素的動態變化受動物的行為環境和物理條件等因素影響，該傳感器使各種生理和病理過程中進行催產素動態分析成為可能。
我們可以注意的是，通過MTRIA系統，幾乎30%的工程傳感器在高濃度的特異配體刺激下顯示出顯著的熒光增加，這項發現將有助于加速各種基于GPCR傳感器的工程開發。該研究成果于近日發表在《Nature Methods》上，題為：A fluorescent sensor for real-time measurement of extracellular oxytocin dynamics in the brain。
(資料參考來源：科技部生物中心、自然方法)
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