EMBL创新研发：光声探针技术突破，优化脑深部组织高清成像

为了更好地了解大脑，需要新的方法来观察其活动。这一目标是一个由欧洲分子生物学实验室（EMBL）的两个研究小组领导的分子工程项目的核心，该项目产生了一种为神经科学应用创造光声探针的新方法。欧洲分子生物学实验室研究小组的调查结果发表在《Journal of the American Chemical Society》。

“光声技术提供了一种捕捉整个老鼠大脑图像的方法，但我们只是缺乏正确的探针来可视化神经元的活动，”罗伯特·普雷韦德尔说，他是这篇论文的高级作者，也是欧洲分子生物学实验室的组长。

为了克服这一技术挑战，他与另一位 EMBL 小组负责人、该论文的高级作者克莱尔·德奥合作。她和她的团队专门从事化学工程。

普雷维德尔说:“我们已经能够证明，我们实际上能够用足够亮的探针标记特定脑区的神经元，以便我们定制的光声显微镜能够探测到。”

通过跟踪某些化学物质，如离子或生物分子，科学家可以更多地了解生物过程。光声探针可以通过与难以探测的化学物质特异性结合，充当这些化学物质的“报告员”。然后，这些探针在受到激光激发时可以吸收光线，并发出可被专门成像设备探测到的声波。然而，对于神经科学应用，研究人员迄今为止还无法设计出针对性强的报告员，以便可视化地呈现针对光声学的大脑功能。

尽管研究人员已经尝试使用合成染料作为神经元活动的光声记录器，但控制染料的去向以及可能被标记的物质一直是一项挑战。蛋白质作为标记特定分子的探针特别有用，但尚未产生有效的光声探针来监测整个大脑的神经活动。

“在我们的案例中，我们充分利用了这两种传感器，将蛋白质与合理设计的合成染料结合起来，我们现在可以标记和可视化特定感兴趣区域的神经元，”该研究的第一作者、Deo团队的博士前研究员亚历山大库克（Alexander Cook）说。

“对钙的可逆反应”

在理性设计方法中，研究人员利用已有的知识和原理来构建具有期望性能的分子，而不是盲目地制造和测试随机的化合物。“而且，我们谈论的不仅仅是静态观察，而是这个探针显示了可逆的、动态的钙反应，这是神经元活动的标志，”库克补充道。

Deo认为，这一技术发展面临着一个重要挑战。由于光声探测器尚未被广泛研究，研究人员缺乏一种方法来评估他们正在建造的探测器。因此，该项目由Nikita Kaydanov开始。Nikita Kaydanov是该研究的共同作者，也是普雷维德尔集团的博士前研究员。定制光谱设置凯丹诺夫说:“目前还没有商用设备可以测量探测器在试管或容器中的光声信号，因此我们必须建造一个。我们创建了自己的光声光谱仪来评估和优化探测器。

迪奥说:“这使我们能够评估我们制造的不同探针，并对其特征进行描述，以评估一些事情。它们是否产生可检测的光声信号？它们是否足够灵敏？这就是我们推断下一步步骤的方式。”但仅仅生产在瓶子里工作的探针并不是研究人员想要停止的地方。他们接下来想看看这些探针是如何在实践中发挥作用的。他们找到了一种方法，将探针送入小鼠大脑，并成功地检测出目标大脑区域内神经元的光声信号。

更多的工作要做

“虽然我们对进展感到兴奋，但我们需要明确的是，这只是第一代探测器，”迪奥说，“虽然它们提供了非常有前途的方法，但我们还有很多工作要做，但这是首次很好的展示了这个系统能够实现什么，以及它在更好地理解大脑功能方面的潜力。”

事实上，接下来的步骤包括改进染料输送系统，并确认使用它们进行细胞内动态成像的能力。普雷维德尔说:“这是EMBL的优势之一，它汇集了这么多具有不同专业知识的人。我们都是以自己的方式开发者——我的小组在仪器方面做得更多，而克莱尔的小组在分子工具方面做得更多。把这些与神经科学家一起真正测试这些工具结合起来，这是一种特殊而独特的研究方式，只有在EMBL才有可能。”