小鼠活体脑部生物活性分子的荧光成像研究进展

作者:王昕;李平;张雯;唐波; 刊名:分析化学 上传者:刘晓光

【摘要】大脑在分子水平上具有独特的化学组成和反应活性。脑部的生物活性分子(包括金属离子,活性氧物种,神经递质及神经递质水解酶等)在脑功能的行使过程中,扮演着不同却又极其关键的角色。正常稳态浓度的生物活性分子对维持稳定的脑部和功能发挥了重要作用,而生物活性分子水平的异常变化又与帕金森病、阿尔兹海默症、抑郁症等多种脑部疾病的发生与发展密切相关。因此探究大脑中生物活性分子的浓度及调控作用,对揭示大脑的奥秘、理解脑部疾病的发生和发展具有重要作用。荧光成像方法具有高灵敏、高时空分辨、易操作等优势,是探究大脑中生物活性分子的真实浓度和功能的重要工具。近年来,随着荧光成像技术的发展,研究者构建了多种荧光探针用于检测鼠脑中生物活性分子。本文综述了近年来用于大脑中生物活性分子检测的分子探针、纳米探针及蛋白探针的发展概况,探讨了构建新型荧光探针、利用荧光成像方法进一步深入剖析生物活性分子调控大脑功能等方面的研究,对未来的发展进行了展望。

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1 引 言 大脑作为神经系统最高级的器官,是认知和运动功能的指挥中心,具有独特和复杂的物质结构[1]。在分子水平上,大脑该特殊的器官具有独特的化学组成和反应活性[2]。大脑的化学组成复杂,而且大脑的物质组成中包含着许多独特的分子,其中许多只存在于神经系统中。这些不同的分子对于脑功能的行使,扮演着不同却又非常关键的角色[3]。例如,大脑中的金属离子(Ca2+\, Cu2+\, Zn2+\, Fe2+等)对维持生物分子结构的稳定性和功能发挥了重要的作用[4],包括核酸折叠、转录、催化、离子通道和传递信号等;神经递质(5-羟色胺、多巴胺、乙酰胆碱等)在突触传递中承担着“信使”的角色,维持神经元彼此之间的相互通讯联系等[5,6]。但是,生物活性分子水平的异常变化又与帕金森病、阿尔兹海默症、抑郁症等多种脑部疾病的发生与发展密切相关。 研究发现, 帕金森病(PD)患者脑中Fe2+含量增加[7],进而导致氧化应激的发生和活性氧物种(ROS)的爆发[8];抑郁症患者脑中神经递质5-羟色胺含量下降[9];阿尔兹海默症(AD)患者脑部Aβ淀粉样蛋白含量显著增多[10,11]等。因此,准确检测大脑中生物活性分子的浓度并深入探究其在大脑中的功能及相关调控机制,对揭示大脑的奥秘、阐明脑部疾病的病理机制显得尤为重要。 目前, 用于脑部成像的方法有计算机X线断层摄影(CT扫描)[12]、正电子发射断层扫描术(PET)[13]、磁共振成像(MRI)及血管造影术[14]等。然而,上述方法均无法实现实时示踪活性分子浓度变化。由于荧光成像方法具有高灵敏、高时空分辨、易操作等优势,原位荧光成像分析方法已成为目前实现对大脑中生物活性分子的真实浓度检测和功能探究最理想的手段[15~17]。而该方法的核心技术是构建可用于大脑中特异性检测的荧光探针。因此,近年来,众多课题组设计合成了多种荧光探针,并用于检测小鼠神经元和大脑中的金属离子、活性氧物种、神经递质及神经递质水解酶等[18]。本文从被检测的生物活性分子出发,综述了近年用于大脑中生物活性分子检测的分子探针、纳米探针以及蛋白探针的发展,并在构建新型荧光探针、利用荧光成像方法进一步深入剖析生物活性分子调控大脑功能等方面进行探讨与展望。 2 检测金属离子的荧光探针 在过去的几十年里,研究者陆续发现细胞/组织中金属离子的异常稳态与多种疾病有关,如神经退行性疾病,癌症和糖尿病等。虽然它们在疾病病理中的确切作用尚不清楚,但越来越多的疾病已被定性为金属离子失衡相关的疾病[4]。如神经退行性疾病脑组织中存在Cu2+、Zn2+、Fe2+等转运金属离子的异常积累[19]。Cu2+水平升高已被证明与阿尔兹海默症有关。在抑郁症患者的外周血内也发现了Zn2+和Cu2+浓度的异常变化。帕金森病患者脑中的Fe2+含量增加。因此,在活体、细胞中,甚至在单个细胞器和亚细胞间隔的水平上,精确监测金属离子的浓度,进而探究其功能,对于理解这些疾病和发展诊断方法至关重要。 2.1 检测Zn2+的荧光探针 Zn2+的金属-神经化学是当前研究的热点。Zn是人脑中第二丰富的d区金属,在海马区中含量较高。脑内的Zn2+存在类型通常分为两种:蛋白结合型和松散结合型,后者也被称为流动型锌。目前,流动型锌的神经生理学和神经病理学意义尚不清晰。由于Zn本身不具有典型的光谱特征,因此,探究Zn2+在大脑内的分布、迁移和功能,就需要发展具有高选择性、时空可分辨的荧光成像工具[20]。 Li等[21]设计并合成了一种基于分子内电荷转移的双光子比率荧光探针(探针1),并将其用于活细胞、海马组织和斑马鱼内

参考文献

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