引言
阿片类神经肽在调节疼痛、奖赏和厌恶等生理过程中发挥着关键作用，具有重要的临床相关性。这类神经肽包括强啡肽、脑啡肽和β-内啡肽等，它们通过激活κ、δ和μ阿片受体来发挥作用。然而，由于缺乏能够精确解析阿片类神经肽复杂动态特征的实验工具，相关研究长期受到限制。传统的检测方法如微透析和免疫组织化学等存在时空分辨率低、无法实时检测等缺点。因此，开发具有高时空分辨率的阿片类神经肽检测技术对于深入了解其在生理和病理条件下的功能至关重要。2024年7月15日，加州大学戴维斯分校Lin Tian实验室与华盛顿大学Michael R. Bruchas实验室和加州大学圣地亚哥分校Matthew R. Banghart实验室在Nature Neuroscience杂志在线发表了题为"Unlocking opioid neuropeptide dynamics with genetically encoded biosensors"的研究论文，报道了一种基于基因编码的荧光探针技术，可用于实时监测内源性阿片类神经肽的动态变化。
该研究团队开发了一系列基于κ、δ和μ阿片受体的基因编码荧光探针，分别命名为κLight、δLight和μLight。这些探针的设计原理是将环形置换绿色荧光蛋白(cpGFP)插入到相应阿片受体的第三胞内环中。当阿片类神经肽与受体结合时，会引起受体构象变化，进而导致荧光强度的改变。
研究人员首先对这些探针在哺乳动物HEK293T细胞和离体神经元中的药理学特性进行了表征。结果显示，这些探针对相应的内源性阿片类肽具有高度的选择性和灵敏度。例如，κLight对强啡肽A1-13的半数有效浓度(EC50)达到了89.8 pM，而δLight对甲硫氨酸脑啡肽的EC50为6.5 nM。
（Credit: Nature Neuroscience）
随后，研究人员利用κLight成功识别了在脑切片中触发内源性阿片类肽释放的电刺激参数。他们发现，在海马CA3区域，15次1秒50Hz的电刺激可以诱发显著的κLight荧光信号增强，这一反应可以被κ受体拮抗剂nor-BNI所抑制。
更令人兴奋的是，研究人员利用光遗传学技术结合κLight，实现了在活体小鼠中对特定神经环路阿片类肽释放的检测。他们在基底外侧杏仁核(BLA)表达光敏通道蛋白ChRimson，同时在伏隔核壳部(NAcSh)表达κLight。通过光刺激BLA神经元的轴突终末，成功诱发和检测到了NAcSh中的强啡肽释放, 该释放并没有在强啡肽敲除的动物里检测到，进一步证明了在体内κLight对于强啡肽的特异性。
此外，研究人员还观察到在恐惧和奖赏条件下，不同脑区阿片类肽的释放动态存在差异。例如，在恐惧条件学习过程中，κLight在背侧和腹侧伏隔核壳部均检测到了强啡肽的释放，但背侧区域的信号更强。而在奖赏相关的巴甫洛夫条件学习中，κLight检测到伏隔核中强啡肽的释放随着学习进程逐渐增强。
这项研究的主要发现包括:
1. 成功开发了基于κ、δ和μ阿片受体的高灵敏度荧光探针，实现了对内源性阿片类肽的亚纳摩尔级别检测；
2. 揭示了脑切片中内源性阿片类肽的释放和扩散特征，测定了强啡肽在纹状体中的有效扩散系数为1.4 μm2/s；
3. 在活体动物中实现了光遗传刺激诱发的阿片类肽释放的实时检测，展示了特定神经环路中的肽能信号传递；
4. 观察到恐惧和奖赏条件下不同脑区阿片类肽释放的动态变化，为理解这些神经肽在情绪和动机行为中的作用提供了新的见解。
综上所述，这项研究提供了一套强大的工具，可用于实时监测内源性阿片类神经肽的动态变化。这些新型探针为深入研究阿片类神经肽在各种生理和病理条件下的功能开辟了新的途径。它们有望帮助科研人员更好地理解阿片类神经肽在疼痛、应激、奖赏和药物成瘾等过程中的作用机制。
该研究成果为阿片类神经肽的研究领域带来了突破性进展。这些高时空分辨率的荧光探针不仅可以用于基础研究，还可能为开发新的疼痛治疗策略和解决阿片类药物滥用问题提供新的思路。例如，通过实时监测内源性阿片类肽的释放，可以更精确地评估不同疼痛治疗方法的效果，或者研究药物成瘾过程中大脑奖赏系统的变化。
未来，研究人员计划进一步优化这些探针，提高其灵敏度和动态范围。他们还希望将这种技术扩展到其他类型的神经肽，如催产素和血管加压素等。此外，结合光遗传学和基因编辑技术，这些探针有望用于构建复杂的神经环路图谱，揭示不同神经肽系统之间的相互作用。这项技术的发展为神经科学研究提供了一个强大的新工具，有望推动阿片类神经肽相关疾病的诊断和治疗取得重大进展，并深化我们对大脑功能的理解。
参考文献
https://www.nature.com/articles/s41593-024-01697-1
责编|探索君
排版|探索君
文章来源|“BioArt”
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