荧光探针

近日，中国科学院上海药物研究所李佳团队联合华东理工大学贺晓鹏团队、英国巴斯大学Tony D. James团队，以及美国德克萨斯大学奥斯汀分校Jonathan L. Sessler团队，撰写“指南综述”（Tutorial Review）文章Small-molecule fluorescence-based probes for interrogating major organ diseases，分类总结了可用于探查主要器官疾病的小分子荧光探针。相关研究成果在线发表在Chemical Society Reviews上。　　人体是由多个器官系统构成的有机体，每个器官在体内发挥着特定作用，器官之间的协同工作维持着人体的正常运行。然而，异常的器官功能障碍会影响机体的健康，并导致灾难性的后果。组学等鉴定技术的发展，促使与器官功能障碍相关的生物标志物相继被发现。开发非侵入性的、可实时观察特定器官疾病生物标志物的方法，将提高对特定器官病理变化的研究能力，并利于疾病的早期诊断，进而为开发有效的治疗方法提供帮助。基于荧光生物成像的检测技术，具有灵敏度高、操作简单、检测下限低、响应速度快、时空分辨率优异及无损体内原位成像等特性，被用于疾病生物标志物的检测，为器官疾病的诊断提供了较为可靠的依据。　　在科研团队前期研究的基础上，研究人员分类总结了可用于探查主要器官疾病的小分子荧光探针。该论文阐述了用于主要器官疾病研究的小分子荧光探针的设计策略；剖析了生物标志物检测对于研究器官功能障碍和其他器官相关疾病的重要性；阐明了小分子荧光探针在体外、体内监测各种致病过程的用途；介绍了目前用于研究器官疾病的小分子荧光探针存在的局限，并提出了建议与展望。该研究为开发新的有效的荧光分子探针用于早期诊断和治疗不同器官疾病具有重要的借鉴意义。　　研究工作得到国家自然科学基金重大研究计划、上海市科技重大专项、上海市国际合作与交流项目及中国博士后科学基金面上资助等的支持。 综述中涉及的人体主要器官示意图（a）及用于探查器官相关疾病的小分子荧光探针的设计策略示意图（b）

p style="text-indent: 2em text-align: justify "走进山东师范大学化学化工与材料科学学院实验室，在激光显微镜下，“荧光探针”使细胞呈现出色彩斑斓的效果，形态各异的图案仿佛将人带入鲜花与极光交融的海洋。然而，你能想象这不起眼的“荧光探针”通过成像监测，便能实现尽早地发现和预防重大疾病吗？/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "山东师范大学化学化工与材料科学学院唐波、董育斌、李平、王鹏、李娜等领衔的科研团队，经过近二十年的刻苦攻关，有效地解决了细胞成像这一难题，极大地推动了该领域的国际研究步伐，他们完成的“细胞稳态调控活性分子的荧光成像研究”项目于近日获得2018年度国家自然科学二等奖，成为首个以第一完成单位获得国家自然科学奖的山东省省属高校。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "早在2000年前后，当时国内的生命科学和光学成像等研究领域刚刚兴起，团队领头人唐波教授便敏锐地意识到分析化学和生命科学的紧密结合，必将推动一个新型交叉研究领域的兴起。从此，一个以化学、生物学、医学等多学科为支撑，以揭示重大疾病的发现和治疗为使命的团队应运而生。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "2013年初，以山东师范大学为项目牵头单位、唐波为首席科学家的国家重大科学研究计划（973）项目“重大疾病相关的若干重要难检活性小分子细胞内纳米传感研究”正式启动。“一定要把目光瞄准国际科研领域的最前沿，只有站位高、视野宽、反应快，才能把握住科研领域的时代脉搏，产出高质量的研究成果。”唐波不仅自己以此为标杆，还将这一理念植入了全体科研团队的“基因”之中。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "自然科学奖评审的核心指标就是原创性，而这正是“细胞稳态调控活性分子的荧光成像研究”项目的“撒手锏”。该项目在国际上率先构建成多种新型发光材料，解决了材料量子产率低与波长不可调的关键问题，为研制具有高灵敏度与光谱空间可分辨探针的筛选、设计、构建奠定了重要的理论基础。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "“在原有的检测方法中，荧光信号灵敏度差、转换效率较低，会直接影响成像质量，从而会导致医生对病人的病情错判。我们的成果创新性地运用特异性识别活性分子的机理与能量转移、电子转移等光信号转换机制，成功实现了对糖蛋白、葡萄糖、microRNA等活性分子的高选择性识别，检测速度和准确性都得到了极大提高。”长江学者董育斌教授说。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "“在疾病发生之前，我们可以通过细胞内特定指标的变化来作出预警，从而尽早地预防和治疗。而这种指标变化，需要找到特殊的化合物即‘探针’，注入活体细胞后，用高能荧光显微镜来检测‘探针’光学信号的改变来确定。”为团队作出重要贡献的徐克花教授介绍说，他们的工作就是寻找化合物、研发新材料“探针”，实现高准确度和超高灵敏检测的突破。/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "“这与现阶段医学临床上采用的肿瘤检测方式不同。传统的血液检测，可能因样本离开人体而导致准确性下降，假阳性比例很高，比如前列腺癌的假阳性比例最高达60%。而使用CT检查，当发现病灶时，病情一般已进入中晚期。”青年长江学者李娜教授说，“因此，使用荧光成像方法，通过新材料‘探针’在活细胞里面检测活性物质，且是在体外保真环境进行，无创伤，无伤害。”/pp style="text-indent: 2em text-align: justify "目前，团队师生所在的化学学科近十年来稳居ESI全球前1%，团队成员均有稳定的国家级课题作为依托，堪称精兵强将。“我们研究团队，不仅有化学专家，还引进了生物、医学、物理等方面的人才。大家学术背景非常多元，团队在开拓新的研究领域和方向时也非常方便。”泰山学者青年专家高雯说。/p

论文截图9月12日，中国科学院深圳先进技术研究院医工所生物医学光学与分子影像研究中心储军课题组的最新成果发表于《自然—通讯》。研究人员研发了在活细胞内具有12倍荧光变化的高性能基因编码的cAMP绿色荧光探针(命名为G-Flamp1)。该研究结合显微成像和光纤记录等技术，实时高灵敏监测了果蝇和小鼠等模式生物在特定行为过程中特定神经元的cAMP信号时空动力学变化，探索了cAMP动力学与动物行为之间的内在关联。Nature Methods的审稿人在审稿过程中对该成果给予了高度评价，认为G-Flamp1探针具有非常棒的性质，在荧光探针的性能上具有很大的提升，该探针打开了很多有趣的cAMP信号研究的大门，是非常及时和高质量的研究成果。深圳先进院储军研究员为该论文的通讯作者，深圳先进院助理研究员王亮博士及北京大学邬春灵博士为该论文的共同第一作者。细胞是包括人类在内的绝大部分生命体结构和功能的基本单位。细胞不断地接受周围环境的信号，并将其转变为细胞内相应分子（如蛋白质、有机小分子、离子、DNA和RNA等）的数量、分布和活性状态的变化，从而改变细胞的形态和生物学功能等。该过程的异常则与疾病的发生发展相关。因此，科学家们往往通过检测上述关键分子的时空变化来理解细胞的功能，并阐明相关疾病的发生机制。在该研究中，研究人员选取细胞内重要的第二信使分子环磷酸腺苷(cAMP)作为研究目标。cAMP可传递细胞表面多种G蛋白偶联受体（GPCR）的信息，在学习与记忆、药物成瘾、运动控制、免疫、肿瘤、代谢等过程中发挥重要作用。“活细胞和活体水平的cAMP分子浓度变化的高时空分辨率荧光成像是解析cAMP信号通路及其生物学功能的重要基础。因此，开发高灵敏的cAMP荧光探针成为研究复杂生物过程的关键。”论文通讯作者储军研究员表示。与非基因编码探针（染料和材料类）相比，基因编码探针像正常蛋白质一样，可以定位到生物体特定细胞或特定细胞亚结构，具有低毒性、低背景、可遗传等优点，在生命科学基础研究中具有无可比拟的优势。然而，现有的50多个基因编码的cAMP荧光探针要么灵敏度低（荧光变化最大只有1.5倍），要么荧光亮度较暗，很难监测活体中微弱的内源性cAMP变化，极大地限制了生理和病理状态下cAMP分子调控机理和功能的研究。为了开发适用于活体检测的高灵敏度探针，研究人员将环化重排绿色荧光蛋白(cpGFP)插入细菌MlotiK1通道蛋白的cAMP结合结构域(mlCNBD)中。经过插入位点筛选、连接肽优化、荧光蛋白及感应模块优化，得到了具有高亮度、高灵敏度、合适亲和力和快响应速度等特征的高性能基因编码cAMP绿色荧光探针G-Flamp1。特别的，该探针在活细胞中的荧光变化可达12倍，是目前少数几个在10倍以上的荧光探针之一。随后，研究人员将G-Flamp1探针应用在果蝇这一模式生物中。果蝇脑部蘑菇体(mushroom body)的Kenyon细胞中cAMP信号通路在气味相关的记忆中发挥关键作用。研究人员首先获取了Kenyon细胞中表达G-Flamp1探针的转基因果蝇，然后利用双光子成像发现，果蝇受到气味或电击刺激时，蘑菇体不同子区域呈现不一样的cAMP信号时空变化，暗示不同子区域可能在联想性学习中起着相对独立的作用。为验证G-Flamp1探针在活体动物中检测cAMP 动态变化的实用性，研究人员利用腺相关病毒在小鼠运动皮层中共表达绿色G-Flamp1探针和红色jRGECO1a钙探针。活体双光子成像揭示了跑步运动中细胞特异性的cAMP信号，并与钙信号无明显相关性。这反映了小鼠运动时大脑皮层M1神经元反应的异质性。最后，研究人员在小鼠大脑深部的伏隔核（NAc）脑区中表达G-Flamp1探针，并利用光纤记录听觉巴甫洛夫条件反射任务中该脑区cAMP信号的变化。结果表明，随着训练的熟练，小鼠得到奖赏时cAMP信号幅度在降低，而听到相应声频信号时cAMP信号幅度在升高；该特性与多巴胺信号类似，暗示多巴胺释放引起了cAMP信号。因此，G-Flamp1探针的高信噪比和高时间分辨率能够高灵敏检测到活体小鼠中内源性cAMP信号的动态变化。综上所述，该研究开发了一种适用于活体检测的cAMP荧光探针，并初步揭示了果蝇和小鼠等模式生物在特定行为过程中特定神经元的cAMP信号变化的规律，为进一步理解cAMP信号的调控和功能奠定了基础。“与广泛使用的钙离子探针GCaMP相比，G-Flamp1才仅仅只是开始，目前已有几十家国内外实验室在使用G-Flamp1，未来将会有更多实验室利用G-Flamp1来研究复杂的生物学问题。”论文通讯作者储军研究员表示。在未来研究中，研究团队将进一步提高探针性能，开发适用于不同应用场景的下一代高灵敏cAMP探针，并利用其揭示活细胞和活体中cAMP信号的规律、调控机制及生物学功能。与此同时，结合高内涵药物筛选平台，研究团队开发的新型探针也将尝试应用于针对GPCR受体的药物筛选，以期发现更多的具有临床价值的GPCR药物。