上海
撰文丨王聪
编辑丨王多鱼
排版丨水成文
神经化学信号，包括神经递质、神经调质和细胞内信号分子，在介导各种大脑功能的网络中动态调节，并对神经疾病产生影响。多巴胺（DA）是最重要的神经调质之一，它与乙酰胆碱（ACh）等其他神经调质以及 cAMP、Ca2+ 等细胞内信号之间有着错综复杂的相互作用。解读这些神经化学信号网络对于理解行为及其相关障碍背后的神经机制至关重要。然而，目前的基因编码探针仅限于绿色和红色光谱，这阻碍了对多种神经化学信号进行实时同步检测。因此，迫切需要扩大神经调质探针的光谱范围，使其涵盖远红光和近红外（NIR）波长（波长大于 650 nm）。
2025 年 6 月 5 日，北京大学李毓龙团队在国际顶尖学术期刊Science上发表了题为：In vivo multiplex imaging of dynamic neurochemical networks with designed far-red dopamine sensors 的研究论文。
该研究开发了一种名为HaloDA1.0的基因编码多巴胺荧光探针，其工作在远红光谱范围内，能够与现有的绿色和红色荧光探针搭配，可在体外培养细胞、急性脑片、斑马鱼及活体小鼠中实现三色成像或记录，还能够研究清醒动物体内涉及多种神经递质的复杂回路。
多巴胺（DA）通过与其他神经调质和细胞内信号通路的复杂相互作用，在多种大脑功能中发挥着关键作用。然而，由于难以在活体中同时检测多种神经化学物质，对 这些复杂网络的研究一直受到阻碍。
通过利用 G 蛋白偶联受体（GPCR）和循环重排荧光蛋白（cpFP），李毓龙团队等开发了一系列基于绿色和红色 GPCR 激活的（GRAB）探针，能够在体内以高时空分辨率检测神经调质。然而，利用远红/近红外蛋白来拓展这一策略存在挑战，原因在于现有的远红/近红外荧光蛋白性能欠佳。将蛋白质标签与罗丹明衍生物相结合则提供了一种很有前景的替代方法，能够实现宽广的光谱范围和高亮度。
研究团队将 cpHaloTag-化学染料法与 GRAB 策略相结合，从而创建了——HaloDA1.0，这是首个基于单个蛋白质的远红光化学遗传神经调质探针。凭借其远红光波长，HaloDA1.0 与现有的绿色和红色探针相结合，为同时监测三种神经化学物质提供了机会。
HaloDA1.0 展示了强大的灵敏度、高特异性、亚秒级响应动力学以及与多种远红化学染料的兼容性。将 HaloDA1.0 与另外两种神经调质探针结合应用于急性小鼠脑切片中，在电刺激和药物干预后实现了对三种关键神经调质——多巴胺（DA）、乙酰胆碱（ACh）和内源性大麻素（eCB）的同时成像。在斑马鱼幼鱼中，HaloDA1.0 实现了多巴胺、ATP 和Ca2+ 的三色成像，揭示了在电击和急性癫痫发作期间的协同激活模式。体内染料筛选进一步证实了 HaloDA1.0 在活体小鼠中使用硅-罗丹明荧光染料的有效性能。这使得在进行光遗传学操作的同时能够实现双色记录。
此外，HaloDA1.0 还实现了伏隔核内多巴胺、乙酰胆碱和 cAMP 自发信号以及与行为相关的信号的同时多色记录，揭示了不同的调节模式，并为细胞内 cAMP 信号的协同调节提供了全面的视角。
总的来说，该研究开发了一种化学遗传远红荧光多巴胺探针——HaloDA1.0，它能够在体外和体内实现对多巴胺的灵敏检测，该探针在监测不同生物系统（包括培养的神经元、急性脑切片、斑马鱼以及活体小鼠）中的多种神经化学信号方面具有显著优势。这一策略有助于我们更深入地理解各种神经化学信号之间的复杂相互作用，为神经回路功能的研究开辟了新途径，并有助于更好地理解神经和精神疾病。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt7705
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