卡罗琳斯卡学院陈斯杰课题组PNAS：开发AIE荧光探针用于脑组织三维髓鞘荧光成像

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髓鞘是包裹大脑神经元轴突的外膜，由少突胶质细胞控制其形成，并具有绝缘、提高动作电位的传导速度、保护神经元和参与记忆形成的作用。髓鞘丢失和神经胶质细胞功能障碍会导致包括多发性硬化症、脑白质营养不良、肌萎缩性侧索硬化症在内的众多神经系统疾病。中枢神经系统的再髓鞘化是脱髓鞘疾病的主要治疗策略，也是大脑最强大的内源性修复机制。开发脑组织髓鞘成像技术将有助于建构三维神经网络，这不仅对评估和病理诊断脱髓鞘疾病具有重要意义，并且是研究髓鞘形成机制的重要工具。然而目前市售的髓鞘荧光探针受限于背景荧光干扰大、对比度低和组织渗透性差等缺点。因此，开发一种选择性好、信噪比高和组织渗透性良好的近红外荧光探针，用于脑组织中的三维髓鞘成像具有重要意义。

近日，卡罗琳斯卡学院(Karolinska Institutet)刘鸣炜复修医学中心陈斯杰课题组在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上发表了题为“A near-infrared AIE fluorescent probe for myelin imaging: From sciatic nerve to the optically cleared brain tissue in 3D ”的研究论文。在此项研究中，作者采用质膜靶向的策略并结合AIE荧光探针在组织三维成像中高信噪比的优势，开发了一种可用于髓鞘成像的近红外AIE探针PM-ML。PM-ML在小鼠脑组织中的三维髓鞘荧光成像具有高特异性和良好的组织渗透性，对脱髓鞘小鼠模型样本的染色实验证明了PM-ML可用于评估脱髓鞘疾病。

本文要点

（1）基于髓鞘的多层膜是由神经胶质细胞的质膜构成，而AIE探针在与目标结合后能够实现荧光点亮的特性，具有光稳定性好、选择性高等优点，作者便通过两亲性的策略设计合成具有质膜靶向性的近红外AIE探针PM-ML。PM-ML具有优异的聚集诱导发光特性，可以选择性的与脂质结合（图1），因此表现出良好的质膜靶向性（图2）和光稳定性，并远远优于商业的细胞膜染料CellMask Green。

图1. PM-ML的结构示意图及其光学性质。

图2. PM-ML标记细胞质膜。

（2）PM-ML可以清楚标示神经纤维的轮廓（图3B-3C），并进一步显示有髓神经纤维上特殊的组织结构如施-兰切迹（Schmidt–Lanterman Incisures）和郎飞氏结（node of Ranvier）。

图3. PM-ML标记周围神经系统中坐骨神经纤维的髓鞘并显示出施-兰切迹和郎飞氏结。

（3）在成年小鼠脑组织的冰冻切片中，PM-ML可以通过与质膜结合而选择性标记髓鞘（图4A）。与商用髓鞘探针相比，PM-ML具有更高的亮度、更好的组织渗透性、更高的信噪比和更低的背景荧光干扰等优点（图4B）。在经组织透明化处理的 P18小鼠脑片的三维成像中，PM-ML表现出远远优于FluoroMyelin Green/Red的信噪比和背景干扰，可以识别成束状的神经纤维（图4C）。

图4. PM-ML选择性标记冰冻切片或光学透明的脑组织中的髓鞘并显示出比商用髓鞘探针FluoroMyelin Green/Red和DiD更高的信噪比。

（4）在成年小鼠全脑组织的三维髓鞘荧光成像中， PM-ML可以对1毫米厚并经过光学透明化处理的小鼠矢状脑切片进行髓磷脂标记，并通过图像三维重建显示出大脑不同区域的髓鞘结构和形态特征，及追踪神经纤维束在大脑的轨迹（图5）。在震颤(shiverer)小鼠模型脑切片的髓鞘成像中，PM-ML对髓鞘具有高选择性和高灵敏度的特点，可用于评估髓鞘的病变情况。

图5. PM-ML用于光学透明的完整脑组织可以无差别地标记和成像所有区域的有髓神经纤维

图6. PM-ML用于震颤(shiverer)小鼠模型脑切片的髓鞘成像。

本研究为开发具有高信噪比和高组织渗透性的髓鞘荧光探针提供新的设计思路，对帮助诊断髓鞘疾病和了解髓鞘功能障碍的生物机制提供了有力的工具。

卡罗琳斯卡学院、西南交通大学吴明雨博士和卡罗琳斯卡学院Alex Y. H. Wong为论文共同第一作者。论文通讯作者为卡罗琳斯卡学院陈斯杰博士。本研究得到卡罗林斯卡学院刘鸣炜复修医学中心的启动资金、国家自然科学基金（22177094、 21708030）、四川省科技厅应用基础研究（2021YJ0397）、大学教育资助委员会卓越学科领域计划（AoE/M-604/16）、广州市脑科学重点项目（20200730009）、南方海洋科学与工程广东省实验室香港分院（SMSEGL20SC01）和刘鸣炜复修医学中心（MWLC19SC03）的支持。

课题组链接：
https://ki.se/en/research/sijie-chen

原文链接

https://www.pnas.org/content/118/45/e2106143118

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