用一种新的生物发光成像底物照亮大脑
引言
生物发光成像是一种强大的工具，用于非侵入性地研究治疗对细胞和组织的影响。发光信号很强，可以在体内使用，能够在持续的时间内反复观察，可以对细胞变化进行数小时或数天的纵向研究。生物发光成像可在不同时期用于活体动物研究，而不干扰正常的细胞过程。
荧光成像也被用于细胞研究。尽管它能提供比发光更强的信号，但荧光需要光源激发，因此它在体内的使用更受限于组织或细胞深度。
NanoLuc® 萤光素酶。小而亮，并且现在可用于脑部生物发光成像。
此外，自发荧光可能是荧光成像的一个问题，因为细胞成分和周围的蛋白质以及细胞暴露在光线下时可以发荧光。自发荧光会导致高背景信号，使其难以区分真正的荧光和背景。
因为生物发光只需要萤光素酶和它的底物萤光素，所以发光具有可以忽略不计的背景信号。与荧光成像相比，这种高信号：低背景的比率导致灵敏度的提高。
二十年来，生物发光一直被用于小型哺乳动物疾病模型的成像。但是，试图使用生物发光对大脑组织进行成像，却遇到了血脑屏障的障碍。
01
萤光素酶和血脑屏障
D-luciferin是萤火虫萤光素酶的底物，是一种小分子，以前被认为可以透过血脑屏障。然而，最近的腹腔注射D-萤光素的研究显示，大脑和中枢神经系统组织的信号非常低（1）。
基于海洋生物的萤光素酶，NanoLuc®萤光素酶，为体内研究提供了萤火虫萤光素酶的替代品，并在生物医学研究的各个领域展现了越来越多的应用，包括在体内病毒追踪、外泌体和工程化CAR T细胞。Furimazine是NanoLuc®萤光素酶的底物，Furimazine类似物fluorofurimazine已进行特殊优化，用于测定体内的NanoLuc®活性。
Fluorofurimazine在体内显示出最大的亮度，以及良好的可溶性和生物利用率。想了解更多关于NanoLuc®技术的体内应用和fluorofurimazine的发展,请阅读以下内容:
为了提高NanoLuc®作为体内报告基因的效能，我们采取了一些措施来定量和优化furimazine在大脑生物发光成像中的能力。
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NanoLuc®底物与血脑屏障
Su等人在最近发表在《自然-化学生物学》的文章中，报告了评估和优化NanoLuc®底物在大脑生物发光成像中的结果（1）。他们使用经过基因改造的小鼠，在脑组织中表达融合了荧光标签（Antares）的NanoLuc®萤光素酶，这使得他们能够筛选和表征底物furimazine、hydrofurimazine和fluorofurimazine，以及这些NanoLuc®底物的结构类似物。
他们的工作表明，fluorofurimazine和hydrofurimazine在大脑成像方面的表现不如furimazine。这促使作者对furimazine进行调整，包括去除羟基和氨基，以创造新的furimazine衍生物。
这些努力导致了cephalofurimazine（CFz）的发展和一些令人兴奋的结果。Su等人写道：
"通过静脉注射CFz，我们完成了对自由运动的小鼠中表达Antares的神经元进行生物发光的视频速率记录。我们还对哺乳动物大脑中遗传定义的神经元群的感觉诱发活动进行了非侵入性的钙成像演示。"
在这段简短的视频采访中，作者Thomas Kirkland博士讨论了他们的工作。
最近，Yu等人在ACS中央科学杂志上发表的文章将这项工作向前推进了一步，他们开发了一种激酶调节的生物发光指示器（KiMBI），一种激酶活动的实时传感器（2）。他们开发了一种ERK KiMBI，专门测定Ras-Raf-MEK-ERK途径的激活情况。通过在大脑中表达这种传感器并施用CFz底物，这些研究人员能够直接在大脑中进行实时可视化的激酶抑制研究。他们能够区分血脑屏障可渗透和不可渗透的抑制剂，并在正常和脑癌模型中跟踪MEK抑制剂的药效学，为寻求调节大脑中激酶活性的药物发现研究人员提供了一种令人兴奋的新方法。
03
总结
利用这种新的底物，Su等人能够追踪活体、活动的小鼠的大脑活动，并最终将生物发光脑成像的灵敏度提高了2.5倍。CFz是NanoLuc®萤光素酶的卓越底物，当与KiMBI等报告基因构建体结合时，为神经科学领域带来了新的可能性。而Yu等人区分了血脑屏障可渗透和不可渗透的MEK抑制剂。
点击了解更多关于使用NanoLuc®进行生物发光成像。
04
参考文献
1. Su, Y. et al. (2023) An optimized bioluminescent substrate for non-invasive imaging in the brain. Nature Chemical Biology. Published online February 2023. Accessed 21-March-2023.
2. Wu, Y. et al. (2023) Kinase-Modulated Bioluminescent Indicators Enable Noninvasive Imaging of Drug Activity in the Brain. ACS Central Science. Published online March 2023.
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