图1. 李毓龙实验室发明的去甲肾上腺素特异性探针在多个体系中的应用。图源：参考文献1

撰文 | 李    可

责编 | 计永胜

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人的大脑由数十亿的神经元组成，后者又通过数万亿的突触组成复杂的神经网络。神经递质是突触间传递信息的重要“信使”，在神经元与细胞之间的通讯交流中起到关键的媒介作用。

去甲肾上腺素（Norepinephrine，NE）是一种重要的单胺类神经递质，在中枢神经系统和交感神经系统中都参与诸多必要的生理过程，如感觉信号的调节、注意力的调控、清醒与睡眠、学习与记忆等。去甲肾上腺素释放或信号传递的受损与一系列的精神疾病和神经退行性病变息息相关。

要更好地研究去甲肾上腺素在生理、病理过程中扮演的角色，研究人员需要实时监测其在活体内特定脑区的特异信号变化，看清它的“一举一动”。然而，受限于传统检测方法的低分子特异性、低时空分辨率及其可能带来的组织损伤，现如今仍然缺乏对去甲肾上腺素动态变化的精确记录手段。而应用新开发的灵敏、特异的去甲肾上腺素探针以光学成像方式探究去甲肾上腺素释放及其调控将打破这个困扰多年的瓶颈。

3月25日，神经生物学期刊《神经元》（Neuron）在线发表了北京大学生命科学学院李毓龙团队关于去甲肾上腺素特异性荧光探针的开发与应用的研究论文 [1]。这是该团队在连续开发出乙酰胆碱探针和多巴胺探针之后 [2, 3]，运用G蛋白偶联受体的改造在重要神经递质检测中的又一次成功应用。

图2. 去甲肾上腺素探针的设计。图源：参考文献1

该研究利用可与神经递质相结合的G蛋白偶联受体作为探针的骨架，并把对结构变化敏感的荧光蛋白（cpEGFP）嵌入受体。这样的话，受体与神经递质结合引发构象变化便会被转换为荧光信号（图2）。研究者结合现代成像技术，就能看到神经递质浓度实时变化情况。在此基础上，研究者还对探针进行了全方位的优化，使具有极高的分子特异性和时空分辨率。

该论文开发的去甲肾上腺素特异性探针具有极高的灵敏度、特异性、信噪比、动力学和光稳定性，可以高时空分辨率地精确检测动物活体内去甲肾上腺素的动态变化。与此前研发的多巴胺探针相比，该去甲肾上腺素荧光探针具有极高的分子选择性，可完全区分生理浓度下结构十分相似的去甲肾上腺素与多巴胺，这是传统的电化学检测方法所不能达到的。

值得一提的是，由于该类探针具有可基因编码的特性，研究者可以通过转染、病毒注射以及构建转基因动物等手段，将新型探针表达在细胞、小鼠脑片，以及活体斑马鱼及小鼠中。同时，该研究团队与中科院上海神经生物研究所杜久林、美国纽约大学 Dayu Lin及美国国立卫生研究院的 Guohong Cui 等团队的合作发现，该探针能够检测清醒斑马鱼中脑由视觉刺激引发的去甲肾上腺素释放，以及在自由移动小鼠的蓝斑和下丘脑中特异性检测光遗传和行为触发的去甲肾上腺素动态变化，进一步证实了其在体内应用时强大的灵敏度、特异性、信噪比、动力学和光稳定性。

美国密歇根大学生命科学学院教授叶冰介绍说：“以前的几种方法主要存在两种局限：一是方法的时空检测区域大，但分辨率过低；另一类则只能检测单个细胞，因而无法得到某一脑区的整体信息。而该类探针的出现，解决了这两个看似不可调和的局限。”

关于未来的研究方向，论文的第一作者冯杰思博士谈到：“我们正在发展新一代的去甲肾上腺素探针，具有更高的信噪比及灵敏度，同时我们还将拓展这一方法至其他重要的神经递质及调质，从而点亮整个大脑”。

参考文献：

1．Feng, J., Zhang, C., Lischinsky,J., Jing, M., Zhou, J., Wang, H., ... & *Li, Y. (2019). A genetically encoded fluorescent sensor for rapid and specific in vivo detection of norepinephrine. Neuron.

2.Jing, M., Zhang, P., Wang, G., Feng, J., Mesik, L., Zeng, J., ... *Zhu, JJ& *Li, Y. (2018). A genetically-encoded fluorescent acetylcholine indicator for in vitro and in vivo studies. Nature Biotechnology.

3.Sun, F., Zeng, J., Jing, M., Zhou, J., Feng, J., Owen, S., ... & *Li, Y.(2018). A genetically-encoded fluorescent sensor enables rapid and specific detection of dopamine in flies, fish, and mice. Cell.

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