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文獻(xiàn)精讀第51期

組胺（Histamine, HA）是一種重要的單胺類分子，主要分布于中樞神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)和胃腸道系統(tǒng)中。組胺在體內(nèi)發(fā)揮了多種生理作用，比如：可以作為一種神經(jīng)遞質(zhì)來(lái)調(diào)節(jié)神經(jīng)元的活動(dòng)；也可以調(diào)節(jié)血管張力、促進(jìn)胃酸分泌、增強(qiáng)免疫力等；還可以用于治療胃潰瘍、哮喘等疾��；此外，組胺還是一種重要的過(guò)敏介質(zhì)，當(dāng)人體免疫系統(tǒng)對(duì)某些物質(zhì)過(guò)敏時(shí)，會(huì)釋放大量的組胺，導(dǎo)致過(guò)敏反應(yīng)。在大腦中，組胺能神經(jīng)元主要存在于下丘腦結(jié)節(jié)乳頭體核（tuberomammillary nucleus, TMN）并投射到大腦其它區(qū)域。組胺能信號(hào)參與了睡眠覺醒、學(xué)習(xí)記憶以及攝食等多個(gè)生理過(guò)程的調(diào)節(jié)，但是由于缺少可精細(xì)分析體內(nèi)組胺分子動(dòng)態(tài)變化的工具，組胺參與的這些生理過(guò)程的分子調(diào)控機(jī)制尚不清楚。

2023年3月15日，北京大學(xué)李毓龍實(shí)驗(yàn)室在《Neuron》雜志發(fā)表了題為"Genetically encoded sensors for measuring histamine release both in vitro and in vivo"的研究論文。在該研究中，作者開發(fā)了一種新型高性能基因編碼的組胺探針GRABHA。利用該探針，作者成功地記錄到了腦切片組織中內(nèi)源組胺的秒級(jí)釋放，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)睡眠覺醒過(guò)程中組胺動(dòng)態(tài)變化的在體監(jiān)測(cè)。該探針為組胺的生理病理機(jī)制研究提供了強(qiáng)大的工具。
 

盡管組胺在體內(nèi)的生理和病理過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，但是由于現(xiàn)有檢測(cè)方法的局限性，已有的研究對(duì)于組胺在各種行為過(guò)程中釋放的時(shí)空動(dòng)力學(xué)仍然知之甚少。近年來(lái)，基于GRAB策略（GPCR-Activation Based Sensor），作者團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功開發(fā)了一系列具有高靈敏度、高選擇性和高時(shí)空分辨率的基因編碼的分子探針，用于檢測(cè)體內(nèi)各種神經(jīng)遞質(zhì)或神經(jīng)調(diào)質(zhì)的精細(xì)變化情況。沿用這一策略，在本研究中，作者基于人源H4R組胺受體和水熊蟲H1R組胺受體，分別開發(fā)出一對(duì)能夠精細(xì)測(cè)量細(xì)胞外組胺的基因編碼的熒光探針GRABHA1h和GRABHA1m。該探針具有高度的特異性（只對(duì)組胺響應(yīng)，并可被相應(yīng)拮抗劑阻斷），快速的動(dòng)力學(xué)（亞秒量級(jí)）、以及顯著的熒光信號(hào)響應(yīng)（ΔF/F0: ~300%-500%）。
 

圖1.新型高性能組胺熒光探針的開發(fā)
 

為了驗(yàn)證上述開發(fā)探針是否可以檢測(cè)內(nèi)源組胺的釋放，作者首先在小鼠急性腦片中進(jìn)行了測(cè)試。在前額葉皮層（prefrontal cortex, PFC）表達(dá)了GRABHA1m探針的急性腦切片中，作者成功地記錄到電刺激引起的組胺的秒級(jí)實(shí)時(shí)釋放以及擴(kuò)散，表明該探針可以高時(shí)空分辨率的檢測(cè)內(nèi)源組胺的釋放。隨后，作者進(jìn)一步將該探針應(yīng)用到活體動(dòng)物中用于監(jiān)測(cè)睡眠相關(guān)的組胺動(dòng)態(tài)變化。結(jié)合腦電肌電記錄，作者觀察到小鼠在快速眼動(dòng)睡眠（REM）或非快速眼動(dòng)睡眠（NREM）向覺醒轉(zhuǎn)換過(guò)程中，視前區(qū)（preoptic area, POA）組胺信號(hào)升高；在覺醒向NREM轉(zhuǎn)換和NREM向REM轉(zhuǎn)換過(guò)程中，POA組胺信號(hào)下降。并且，作者還觀察到：在同一睡眠時(shí)相，不同睡眠調(diào)控腦區(qū)（PFC和POA）組胺信號(hào)的大小是一致的；但是在睡眠時(shí)相轉(zhuǎn)換時(shí)，不同腦區(qū)組胺信號(hào)的動(dòng)力學(xué)存在差異，提示組胺信號(hào)的調(diào)節(jié)在不同腦區(qū)存在差異。
 

圖2. GRABHA1m可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自由行為小鼠睡眠-覺醒周期中POA中的組胺動(dòng)態(tài)變化

綜上，這項(xiàng)工作所開發(fā)的組胺熒光探針憑借其高靈敏度、高選擇性和快速動(dòng)力學(xué)等性能，能夠可靠、特異地檢測(cè)體外和生理?xiàng)l件下自由行為動(dòng)物體內(nèi)組胺的精細(xì)變化，該新型組胺熒光探針將成為組胺的生理病理以及藥理學(xué)機(jī)制研究的強(qiáng)大工具。

文章原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.neuron.2023.02.024