據麥姆斯咨詢介紹，為了更好地了解大腦，需要新的方法來觀察大腦活動。這一目標是歐洲分子生物學實驗室（EMBL）的兩個研究小組牽頭的分子工程項目的核心，該項目為神經科學應用創造了一種新的光聲探針方法。相關研究結果以“Chemigenetic Far-Red Labels and Ca2? Indicators Optimized for Photoacoustic Imaging”為題發表在Journal of the American Chemical Society上。
新的光聲探針讓科學家能夠更深入地探索大腦，因為他們可以標記和可視化神經元。上面的科學插圖展示了科學家用于標記和成像小鼠大腦深處的新型光聲染料。
“光聲學提供了一種捕捉整個小鼠大腦圖像的方法，但我們缺乏合適的探針來可視化神經元的活動。”EMBL小組負責人、論文的資深作者Robert Prevedel說。
為了克服這一技術挑戰，他與另一位EMBL小組負責人、論文的資深作者Claire Deo合作。Claire Deo及她的團隊專攻化學工程。
Robert Prevedel表示：“我們已經能夠證明，我們實際上可以用足夠明亮的探針標記特定大腦區域的神經元，以便通過我們定制的光聲顯微鏡進行檢測。”
通過追蹤某些化學物質（如離子或生物分子），科學家可以了解更多有關生物過程的信息。光聲探針通過與這些化學物質進行特異性結合，可以作為難以檢測的化學物質的“報告者”。然后，光聲探針在受到激光激發時可以吸收光線，并發出可以通過專門的成像設備檢測到的聲波。然而，對于神經科學應用，研究人員迄今為止還無法設計出可以針對光聲學定制的可視化大腦功能的靶向“報告者”。
雖然研究人員已經嘗試使用合成染料作為神經元活動的光聲“報告者”，但控制染料的去向和標記物一直具有挑戰性。蛋白質作為標記特定分子的探針特別有用，但尚未產生有效的光聲探針來監測整個大腦的神經活動。“在我們的案例中，我們充分利用了這兩種傳感器的優點，將蛋白質與合理設計的合成染料相結合，現在我們可以標記和可視化特定感興趣區域的神經元。”該研究論文的第一作者、Claire Deo團隊的博士前研究員Alexander Cook說道。
在合理的設計方法中，研究人員利用現有的知識和原理來構建具有所需特性的分子，而不是盲目地制造和測試隨機化合物。“此外，我們談論的不僅僅是靜態觀察，而是這種光聲探針顯示出對鈣的可逆動態反應，鈣是神經元活動的標志。”Alexander Cook補充道。
據Claire Deo稱，這一技術發展面臨著一項重要挑戰。由于光聲探針尚未得到廣泛的研究，研究人員缺乏評估他們正在構建的光聲探針的方法。因此，該項目始于這項研究的合著者、Robert Prevedel團隊的博士前研究員Nikita Kaydanov，他為此定制了一個光聲光譜裝置。“目前還沒有商業設備可以測量試管或比色皿中探針的光聲信號，所以我們必須自己建造一個。”Nikita Kaydanov說，“我們創建了自己的光聲光譜裝置來評估和優化探針。
“這使我們能夠評估和描述我們制作的不同光聲探針。”Claire Deo說，“它們是否產生了可檢測的光聲信號？它們是否足夠靈敏？這就是我們推斷下一步的方法。”但研究人員并不想止步于生產可以在小瓶中工作的光聲探針。然后他們想看看光聲探針在實踐中是如何工作的。他們想出了一種將光聲探針送入小鼠大腦的方法，并成功檢測到了目標大腦區域內神經元的光聲信號。
“雖然我們對這一進展感到興奮，但我們需要明確的是，這只是這些光聲探針的第一代。”Claire Deo說，“雖然其提供了一種非常有前途的方法，但我們還有很多工作要做，但這很好地展示了該系統可以實現的功能以及它在更好地理解大腦功能方面的潛力。”
事實上，接下來的步驟包括改進染料輸送系統并確認使用它們進行細胞內動態成像的能力。“EMBL的優勢之一就是它匯集了這么多具有不同專業知識的人。”Robert Prevedel說，“我們都是以自己的方式進行開發的——我的團隊更多地研究儀器，而Claire Deo的團隊更多地研究分子工具，再加上神經科學家，他們會真正測試這些工具——這是一種特殊而獨特的研究方式，只有在EMBL才有可能。”
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c07080
