引言
阿片類神經肽在調節疼痛、獎賞和厭惡等生理過程中發揮着關鍵作用，具有重要的臨床相關性。這類神經肽包括強啡肽、腦啡肽和β-内啡肽等，它們通過激活κ、δ和μ阿片受體來發揮作用。然而，由于缺乏能夠精确解析阿片類神經肽複雜動态特征的實驗工具，相關研究長期受到限制。傳統的檢測方法如微透析和免疫組織化學等存在時空分辨率低、無法實時檢測等缺點。是以，開發具有高時空分辨率的阿片類神經肽檢測技術對于深入了解其在生理和病理條件下的功能至關重要。2024年7月15日，加州大學戴維斯分校Lin Tian實驗室與華盛頓大學Michael R. Bruchas實驗室和加州大學聖地亞哥分校Matthew R. Banghart實驗室在Nature Neuroscience雜志線上發表了題為"Unlocking opioid neuropeptide dynamics with genetically encoded biosensors"的研究論文，報道了一種基于基因編碼的熒光探針技術，可用于實時監測内源性阿片類神經肽的動态變化。
該研究團隊開發了一系列基于κ、δ和μ阿片受體的基因編碼熒光探針，分别命名為κLight、δLight和μLight。這些探針的設計原理是将環形置換綠色熒光蛋白(cpGFP)插入到相應阿片受體的第三胞内環中。當阿片類神經肽與受體結合時，會引起受體構象變化，進而導緻熒光強度的改變。
研究人員首先對這些探針在哺乳動物HEK293T細胞和離體神經元中的藥理學特性進行了表征。結果顯示，這些探針對相應的内源性阿片類肽具有高度的選擇性和靈敏度。例如，κLight對強啡肽A1-13的半數有效濃度(EC50)達到了89.8 pM，而δLight對甲硫氨酸腦啡肽的EC50為6.5 nM。
（Credit: Nature Neuroscience）
随後，研究人員利用κLight成功識别了在腦切片中觸發内源性阿片類肽釋放的電刺激參數。他們發現，在海馬CA3區域，15次1秒50Hz的電刺激可以誘發顯著的κLight熒光信号增強，這一反應可以被κ受體拮抗劑nor-BNI所抑制。
更令人興奮的是，研究人員利用光遺傳學技術結合κLight，實作了在活體小鼠中對特定神經環路阿片類肽釋放的檢測。他們在基底外側杏仁核(BLA)表達光敏通道蛋白ChRimson，同時在伏隔核殼部(NAcSh)表達κLight。通過光刺激BLA神經元的軸突終末，成功誘發和檢測到了NAcSh中的強啡肽釋放, 該釋放并沒有在強啡肽敲除的動物裡檢測到，進一步證明了在體内κLight對于強啡肽的特異性。
此外，研究人員還觀察到在恐懼和獎賞條件下，不同腦區阿片類肽的釋放動态存在差異。例如，在恐懼條件學習過程中，κLight在背側和腹側伏隔核殼部均檢測到了強啡肽的釋放，但背側區域的信号更強。而在獎賞相關的巴甫洛夫條件學習中，κLight檢測到伏隔核中強啡肽的釋放随着學習程序逐漸增強。
這項研究的主要發現包括:
1. 成功開發了基于κ、δ和μ阿片受體的高靈敏度熒光探針，實作了對内源性阿片類肽的亞納摩爾級别檢測；
2. 揭示了腦切片中内源性阿片類肽的釋放和擴散特征，測定了強啡肽在紋狀體中的有效擴散系數為1.4 μm2/s；
3. 在活體動物中實作了光遺傳刺激誘發的阿片類肽釋放的實時檢測，展示了特定神經環路中的肽能信号傳遞；
4. 觀察到恐懼和獎賞條件下不同腦區阿片類肽釋放的動态變化，為了解這些神經肽在情緒和動機行為中的作用提供了新的見解。
綜上所述，這項研究提供了一套強大的工具，可用于實時監測内源性阿片類神經肽的動态變化。這些新型探針為深入研究阿片類神經肽在各種生理和病理條件下的功能開辟了新的途徑。它們有望幫助科研人員更好地了解阿片類神經肽在疼痛、應激、獎賞和藥物成瘾等過程中的作用機制。
該研究成果為阿片類神經肽的研究領域帶來了突破性進展。這些高時空分辨率的熒光探針不僅可以用于基礎研究，還可能為開發新的疼痛治療政策和解決阿片類藥物濫用問題提供新的思路。例如，通過實時監測内源性阿片類肽的釋放，可以更精确地評估不同疼痛治療方法的效果，或者研究藥物成瘾過程中大腦獎賞系統的變化。
未來，研究人員計劃進一步優化這些探針，提高其靈敏度和動态範圍。他們還希望将這種技術擴充到其他類型的神經肽，如催産素和血管加壓素等。此外，結合光遺傳學和基因編輯技術，這些探針有望用于建構複雜的神經環路圖譜，揭示不同神經肽系統之間的互相作用。這項技術的發展為神經科學研究提供了一個強大的新工具，有望推動阿片類神經肽相關疾病的診斷和治療取得重大進展，并深化我們對大腦功能的了解。
參考文獻
https://www.nature.com/articles/s41593-024-01697-1
責編|探索君
排版|探索君
文章來源|“BioArt”
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