神經(jīng)元靶向技術(shù)是推動中樞神經(jīng)系統(tǒng)生理和病理過程基礎(chǔ)研究和神經(jīng)退行性疾病治療的有力手段。其中，基于病毒轉(zhuǎn)染的轉(zhuǎn)基因策略和以單克隆抗體、核酸適配體為代表的免轉(zhuǎn)染策略在神經(jīng)靶向成像和神經(jīng)功能調(diào)控領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。然而，由于生物環(huán)境的復(fù)雜性和生物標(biāo)志物表達(dá)水平的不同，神經(jīng)元靶向技術(shù)仍面臨一些關(guān)鍵瓶頸：第一，缺乏非固定腦片或神經(jīng)元的選擇性標(biāo)記工具；第二，通過非基因轉(zhuǎn)染策略對動物特定腦區(qū)、回路或特定神經(jīng)元種類的高選擇性靶向標(biāo)記仍面臨巨大挑戰(zhàn)；第三，由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)受到血腦屏障（BBB）的保護(hù)，通過靜脈給藥策略的腦部神經(jīng)元標(biāo)記是極為困難的。因此，發(fā)現(xiàn)或發(fā)展中樞神經(jīng)系統(tǒng)上多尺度應(yīng)用的活神經(jīng)元靶向工具一直是該領(lǐng)域的迫切需求。
近日，北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院的毛蘭群教授團(tuán)隊基于藍(lán)藻細(xì)菌中的鐵氧化還原蛋白依賴型谷氨酸合成酶（Fd-GOGATcb），開發(fā)了一種非基因編碼、可自主遞送、跨血腦屏障的谷氨酸能神經(jīng)元活體靶向工具。結(jié)合蛋白質(zhì)化學(xué)修飾技術(shù)，F(xiàn)d-GOGATcb可構(gòu)建為一種免轉(zhuǎn)染的多功能蛋白質(zhì)平臺。通過熒光功能化修飾，F(xiàn)d-GOGATcb可作為谷氨酸能神經(jīng)元的熒光探針，無需固定即可在原代細(xì)胞層次、腦片層次及活體層次實現(xiàn)谷氨酸能神經(jīng)元的多尺度快速靶向成像（1-2小時）。進(jìn)一步地，F(xiàn)d-GOGATcb可攜帶光敏分子，在尾靜脈系統(tǒng)給藥的條件下主動透過小鼠血腦屏障，實現(xiàn)活體谷氨酸能神經(jīng)元電活動的光響應(yīng)調(diào)控。該平臺解決了活體直接靶向、操縱神經(jīng)元的長期難題，并為谷氨酸能神經(jīng)功能與疾病的基礎(chǔ)研究及其臨床轉(zhuǎn)化提供了新的潛在工具。
圖1：Fd-GOGATcb可作為一種非基因編碼、可自主遞送、跨血腦屏障的化學(xué)多功能蛋白質(zhì)平臺，可快速、特異性結(jié)合在鼠腦中的谷氨酸能神經(jīng)元，進(jìn)而實現(xiàn)谷氨酸能神經(jīng)元成像和神經(jīng)功能調(diào)控。 圖2：FITC@Fd-GOGATcb可選擇性標(biāo)記神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞（a），并結(jié)合在細(xì)胞膜表面（b）；FITC@Fd-GOGAT 對海馬腦區(qū)的原代神經(jīng)元具有強(qiáng)親和力，可點亮神經(jīng)元的整個胞體和突觸（c），而對皮層和紋狀體腦區(qū)的原代神經(jīng)元則難以實現(xiàn)有效標(biāo)記（d）。 圖3：a, FITC@Fd-GOGATcb可對非固定腦片的海馬腦區(qū)（齒狀回-DG和CA1-3）進(jìn)行快速標(biāo)記（1 h），且與神經(jīng)元免疫熒光染色結(jié)果（NeuN mAb）有良好共定位。b, FITC@Fd-GOGATcb可選擇性點亮非固定腦片上谷氨酸能神經(jīng)元富集區(qū)域。 圖4：谷氨酸能神經(jīng)元靶向性驗證：通過病毒轉(zhuǎn)染，在小鼠谷氨酸能神經(jīng)元的谷氨酸囊泡轉(zhuǎn)運體（VGlut1）上融合并表達(dá)了一個紅色報告蛋白質(zhì)mCherry，用以指示谷氨酸能神經(jīng)元。通過腦片收集后FITC@Fd-GOGATcb的染色和共定位分析，確認(rèn)了FITC@Fd-GOGATcb對谷氨酸能神經(jīng)元標(biāo)記的特異性（a-c）；同時，通過在小鼠海馬DG腦區(qū)進(jìn)行FITC@Fd-GOGATcb的原位注射，其可在1 h內(nèi)實現(xiàn)谷氨酸能神經(jīng)元的活體選擇性標(biāo)記（d-e）。 圖5：血腦屏障穿透的光響應(yīng)神經(jīng)調(diào)控：Cy5@Fd-GOGATcb可在小鼠尾靜脈注射后實現(xiàn)腦部的快速富集（2 h達(dá)到最大值），并實現(xiàn)海馬CA1-CA3腦區(qū)的神經(jīng)元靶向標(biāo)記（a-b）。Fd-GOGATcb偶聯(lián)光敏分子Ce6后，可通過腦部原位的光刺激實現(xiàn)對海馬腦區(qū)神經(jīng)元興奮性的高效抑制（c-h）。 該工作基于鐵氧還蛋白依賴型谷氨酸合成酶（Fd-GOGATcb），發(fā)展了一種非基因編碼、可自主遞送、跨血腦屏障的谷氨酸能神經(jīng)元靶向標(biāo)記平臺，實現(xiàn)了多層次的快速標(biāo)記和活體靶向的神經(jīng)化學(xué)調(diào)控。通過熒光功能化修飾，F(xiàn)d-GOGATcb可作為谷氨酸能神經(jīng)元的熒光探針，實現(xiàn)非固定、多尺度、血腦屏障透過的快速神經(jīng)成像。同時，F(xiàn)d-GOGATcb可攜帶光敏分子主動透過血腦屏障，實現(xiàn)活體谷氨酸能神經(jīng)元電活動的光響應(yīng)調(diào)控，有效降低神經(jīng)元放電至對照組的40%以下。該平臺解決了活體直接靶向并操控神經(jīng)元功能的關(guān)鍵問題，為谷氨酸能神經(jīng)元相關(guān)的生理、病理機(jī)制研究提供了新的工具，也為與谷氨酸相關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療提供了新的途徑。 論文信息 A Chemically Tailorable Multifunctional Protein Platform for Glutamatergic Neuron Targeting in Mouse Brain Dr. Xiaoti Yang, Shuxin Li Dr. Jing Liu, Prof. Lijuan Hou, Ran Liu, Xinjie Sun, Rui Yao, Prof. Ming Wang, Prof. Fei Wu, Prof. Ping Yu, Prof. Lanqun Mao Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202506692
