研究人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）疾病和紊亂的原因以尋求有效的治療方式需要體外和體內(nèi)疾病模型，這些模型真實的再現(xiàn)了各自的神經(jīng)病理生理情況，同時也通過必要的細胞機制支持神經(jīng)元以提供翻譯結(jié)果的治療方式作出反應(yīng)^1-3。  

 

      此外，我們需要研究最早的神經(jīng)病理生理變化，因為這些變化為早期診斷和干預(yù)提供了絕佳機會。神經(jīng)突觸的結(jié)構(gòu)和功能變化通常是許多神經(jīng)退行性疾病和中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中最早的病理變化。

 

      為了檢測早期的突觸功能障礙，科學(xué)家們利用活細胞成像技術(shù)來提供單細胞影像，并實時分析實驗條件的變化情況下細胞形態(tài)變化。本通訊討論了活體細胞成像在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病和疾病的體外和體內(nèi)研究中的應(yīng)用。

 

      設(shè)計與生物學(xué)相關(guān)的體外和體內(nèi)活細胞成像實驗需要健康、成熟的神經(jīng)元，神經(jīng)元需要具有適當(dāng)?shù)耐挥|結(jié)構(gòu)和功能（即形態(tài)和電活性）（下圖）。主要成像目標(biāo)是突觸前和突觸后結(jié)構(gòu)和相關(guān)蛋白（例如，突觸囊泡蛋白、神經(jīng)遞質(zhì)受體、離子通道、支架蛋白或細胞骨架蛋白[F-actin、微管]），因為它們是最早發(fā)生病理變化的基質(zhì)⁴（下圖）。

 

  

 

      評估突觸結(jié)構(gòu)或功能變化的方法包括測量突觸密度、軸突長度、脊椎密度、節(jié)點（軸突在細胞體上的位置）、樹突分支或電活動⁴。  

 

      體外培養(yǎng)的哺乳動物神經(jīng)元的活細胞成像，包括人類誘導(dǎo)多能干細胞（hipsc）來源的神經(jīng)元，由于它與人類神經(jīng)元之間具有更大的生物學(xué)相關(guān)性⁸，能夠揭示與人類神經(jīng)退行性疾�。ㄈ绨�爾茨海默病（AD）和帕金森�。┫嚓P(guān)的獨特的機理和功能發(fā)現(xiàn)。載脂蛋白E（apoe-E）是一種與AD發(fā)病密切相關(guān)的蛋白，但apoe-E及其代謝產(chǎn)物在神經(jīng)元生理學(xué)中的作用尚未得到重視。

 

      近期研究發(fā)現(xiàn)，分化的SH-SY5Y神經(jīng)母細胞瘤經(jīng)25kDa片段或全長apoe-E長期治療后顯示出神經(jīng)增生（通過活細胞成像評估軸突長度和細胞融合的陽性變化）⁹，初步藥物篩選研究也受益于這種方法。在AD中，兩種最常見的藥物靶點是淀粉樣β蛋白（aβ）和tau蛋白，因為這兩種蛋白都對突觸有早期病理作用^5-7。

 

      近年來，有學(xué)者對HIPSC來源的神經(jīng)元進行了活體細胞成像，篩選出幾種抗病理性Aβ的候選抗體，通過在不同梯度抗體孵育時間和濃度范圍內(nèi)量化軸突長度和樹突分支點的變化來評估陽性免疫治療結(jié)果¹⁰。

 

 

 

 

人誘導(dǎo)神經(jīng)元（INS）分化過程0-21天的活細胞成像

 

 

      在另一項Aβ研究中，Hong等人¹¹對活體HIPSC衍生神經(jīng)元進行了成像，用從死后人類大腦提取物中分離出的Aβ低聚物對這些神經(jīng)元進行處理，通過定量分析軸突長度和突觸可塑性的變化，并結(jié)合長期電位記錄來評估低聚物的病理生理特性。

 

      隨著對tau構(gòu)象敏感的第一個基因編碼的促進共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）傳感器的誕生，tau蛋白成為一項新技術(shù)的焦點，該傳感器監(jiān)測了活的hela細胞和永生的HT22海馬神經(jīng)元在藥物治療后，微管（mts）存在和不存在的情況下野生型和病理突變的tau蛋白的構(gòu)象 ¹²，這個tau-FRET傳感器提供了非常寶貴的定量和定性數(shù)據(jù)，涉及tau與mts結(jié)合的調(diào)節(jié)、可溶性與不溶性（病理性）tau的比率和如何影響tau的構(gòu)象以利于非病理形式。

 

 

 

 

Tau蛋白構(gòu)象敏感傳感器（CST）在活細胞中的成像

 

 

      體內(nèi)動物模型是體外細胞培養(yǎng)模型的補充，動物神經(jīng)元的活體細胞成像通常使用雙光子顯微鏡進行，這種顯微鏡允許在自然狀態(tài)下和在互聯(lián)支持網(wǎng)絡(luò)的較大環(huán)境中觀察功能性神經(jīng)元的單細胞影像¹³，通過這種方式，動物體內(nèi)的活細胞成像產(chǎn)生了變革性，研究者有機會實時可視化的分析細胞動態(tài)過程。

 

      此外，單細胞體內(nèi)成像可對感覺、行為變化和藥物治療過程中的神經(jīng)元功能反應(yīng)進行量化¹³。體內(nèi)雙光子活細胞成像被應(yīng)用于尋找抗帕金森（PD）藥物的靶向α-突觸核蛋白的作用機制¹⁴，以及評估將胚胎細胞移植到受損成人大腦區(qū)域以替換死亡或即將死亡的神經(jīng)原^15-17的可行性和最佳時機、宿主和供體條件。

 

      此外，體內(nèi)成像可以揭示新的治療方法，MPTP小鼠PD模型活細胞成像顯示，MPTP處理小鼠運動皮質(zhì)神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)和功能突觸可塑性受多巴胺能神經(jīng)元選擇性丟失的影響，提高了調(diào)控運動皮質(zhì)特定區(qū)域的神經(jīng)元活動是治療PD相關(guān)運動損傷的可行選擇的可能性¹⁸。

 

 

PD小鼠模型中運動皮質(zhì)脊柱的動態(tài)變化

      總結(jié)

      活體細胞成像技術(shù)是研究中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病和障礙的寶貴工具，它不僅能讓研究者對基本疾病/障礙生物學(xué)進行深入的了解，而且能實時了解藥理、遺傳和行為治療干預(yù)的功能后果。再加上超分辨率顯微鏡和自動化活細胞成像技術(shù)的進步¹⁹，我們有很好的機會來關(guān)注第一次病理性突觸變化，這種變化可以通過早期治療干預(yù)來停止或逆轉(zhuǎn)。

 

      艾美捷科技能為您提供全套的有價值的研究工具：如Cytoskeleton的用于f-actin、微管、DNA和溶酶體的活細胞成像探針，以及純化的細胞骨架蛋白、活化分析和抗體；iRegene的人源神經(jīng)干細胞（hNSC）細胞株、配套的干細胞培養(yǎng)基及神經(jīng)元定向培養(yǎng)基；StressMarq的活性α突觸蛋白和Tau蛋白等優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，都可以對這些研究起到很大推動作用。

 

      Cytoskeleton的活細胞成像相關(guān)產(chǎn)品：

 

      活細胞成像試劑盒：

    廠家內(nèi)部質(zhì)檢：

      Actin生化試劑盒：  

 

      Tubulin生化試劑盒：

 

 

       iRegene的人源干細胞株及配套培養(yǎng)試劑盒：  

 

      StressMarq的活性α突觸蛋白和Tau蛋白，便于快速構(gòu)建神經(jīng)疾病動物模型：  

 

 

      參考文獻：

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