据麦姆斯咨询介绍，为了更好地了解大脑，需要新的方法来观察大脑活动。这一目标是欧洲分子生物学实验室（EMBL）的两个研究小组牵头的分子工程项目的核心，该项目为神经科学应用创造了一种新的光声探针方法。相关研究结果以“Chemigenetic Far-Red Labels and Ca²⁺ Indicators Optimized for Photoacoustic Imaging”为题发表在Journal of the American Chemical Society上。
新的光声探针让科学家能够更深入地探索大脑，因为他们可以标记和可视化神经元。上面的科学插图展示了科学家用于标记和成像小鼠大脑深处的新型光声染料。
“光声学提供了一种捕捉整个小鼠大脑图像的方法，但我们缺乏合适的探针来可视化神经元的活动。”EMBL小组负责人、论文的资深作者Robert Prevedel说。
为了克服这一技术挑战，他与另一位EMBL小组负责人、论文的资深作者Claire Deo合作。Claire Deo及她的团队专攻化学工程。
Robert Prevedel表示：“我们已经能够证明，我们实际上可以用足够明亮的探针标记特定大脑区域的神经元，以便通过我们定制的光声显微镜进行检测。”
通过追踪某些化学物质（如离子或生物分子），科学家可以了解更多有关生物过程的信息。光声探针通过与这些化学物质进行特异性结合，可以作为难以检测的化学物质的“报告者”。然后，光声探针在受到激光激发时可以吸收光线，并发出可以通过专门的成像设备检测到的声波。然而，对于神经科学应用，研究人员迄今为止还无法设计出可以针对光声学定制的可视化大脑功能的靶向“报告者”。
虽然研究人员已经尝试使用合成染料作为神经元活动的光声“报告者”，但控制染料的去向和标记物一直具有挑战性。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的优点，将蛋白质与合理设计的合成染料相结合，现在我们可以标记和可视化特定感兴趣区域的神经元。”该研究论文的第一作者、Claire Deo团队的博士前研究员Alexander Cook说道。
在合理的设计方法中，研究人员利用现有的知识和原理来构建具有所需特性的分子，而不是盲目地制造和测试随机化合物。“此外，我们谈论的不仅仅是静态观察，而是这种光声探针显示出对钙的可逆动态反应，钙是神经元活动的标志。”Alexander Cook补充道。
据Claire Deo称，这一技术发展面临着一项重要挑战。由于光声探针尚未得到广泛的研究，研究人员缺乏评估他们正在构建的光声探针的方法。因此，该项目始于这项研究的合著者、Robert Prevedel团队的博士前研究员Nikita Kaydanov，他为此定制了一个光声光谱装置。“目前还没有商业设备可以测量试管或比色皿中探针的光声信号，所以我们必须自己建造一个。”Nikita Kaydanov说，“我们创建了自己的光声光谱装置来评估和优化探针。
“这使我们能够评估和描述我们制作的不同光声探针。”Claire Deo说，“它们是否产生了可检测的光声信号？它们是否足够灵敏？这就是我们推断下一步的方法。”但研究人员并不想止步于生产可以在小瓶中工作的光声探针。然后他们想看看光声探针在实践中是如何工作的。他们想出了一种将光声探针送入小鼠大脑的方法，并成功检测到了目标大脑区域内神经元的光声信号。
“虽然我们对这一进展感到兴奋，但我们需要明确的是，这只是这些光声探针的第一代。”Claire Deo说，“虽然其提供了一种非常有前途的方法，但我们还有很多工作要做，但这很好地展示了该系统可以实现的功能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。“EMBL的优势之一就是它汇集了这么多具有不同专业知识的人。”Robert Prevedel说，“我们都是以自己的方式进行开发的——我的团队更多地研究仪器，而Claire Deo的团队更多地研究分子工具，再加上神经科学家，他们会真正测试这些工具——这是一种特殊而独特的研究方式，只有在EMBL才有可能。”
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c07080
