南京师范大学钱勇：化学调控癫痫新思路 | Cell Press对话科学家

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2021年12月21日，南京师范大学化学与材料科学学院钱勇教授课题组在Cell Press细胞出版社期刊Cell Chemical Biology上发表了一篇题为“3D two-photon brain imaging reveals dihydroartemisinin exerts antiepileptic effects by modulating iron homeostasis”的最新研究。钱勇教授团队将一种新型亚铁离子（Fe²⁺）荧光探针与高通量成像技术相结合筛选出先导化合物双氢青蒿素（DHA），揭示其可通过调节神经细胞铁稳态从而缓解小鼠的癫痫状态。这项工作创新地提供了一种可靠的化学工具来评估活体癫痫小鼠大脑中Fe²⁺的状态变化，并可能有助于快速发现新的抗癫痫候选药物，为化学调控癫痫疾病提供了新的思路（图1）。

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图1. 双光子荧光探针FeP的设计及其监测DHA缓解癫痫小鼠大脑中Fe²⁺通量变化的应用。

铁是生命的重要元素，正常的铁平衡是维持生命和健康的关键。由于大脑是铁积累的主要器官，铁过载和异常代谢存在于许多神经系统疾病中，包括癫痫等。在神经细胞内，活性Fe²⁺的过度积累会促进过氧化氢的歧化反应产生羟基自由基，导致脂质和其他生物分子的过度氧化，最终导致神经元细胞的凋亡或铁死亡。因此，开发监测神经元中Fe²⁺状态的新技术，特别是对活体大脑中Fe²⁺时空分布进行成像，对了解癫痫大脑中铁稳态至关重要。荧光成像技术作为一种非侵入性的成像方法，在神经生物学研究中的应用越来越广泛。但目前，还没有报道过可适用于在癫痫脑中对Fe²⁺时空分布进行成像的双光子荧光探针。

作者研发了一种具有近红外激发的可对Fe²⁺分布进行三维动态成像的双光子荧光探针FeP，可以穿过血脑屏障，具有靶向脑部特征。利用探针FeP搭建了一种便捷、微创、可直观长期检测的平台，首次在体内实时动态地观察到了KA诱导癫痫期间活体小鼠脑部Fe²⁺的上调分布情况。作者将高内涵分析成像技术与FeP相结合，还构建了高通量细胞荧光成像筛选平台，为研究生物系统中的Fe²⁺和筛选潜在抗癫痫药物提供了一种高通量筛选方法。此外，作者将活体成像和脑电图监测、动物行为学等研究相结合，初步证实了使荧光强度下调的天然产物DHA对KA诱导的癫痫小鼠模型具有有效的治疗作用。进一步的分子机制研究发现，DHA可显著下调LCN2，Ac-p53和TfR1表达，上调FPN和GPX-4表达，从而调节脑内铁稳态抑制神经元铁死亡，揭示了DHA调节癫痫疾病发生发展的分子机制（图2）。该研究为3D脑成像监测神经系统疾病脑内与铁稳态相关的Fe²⁺的动态分布提供了创新的研究平台，也为铁稳态调节剂的筛选提供了新的策略方法，有望为治疗癫痫的新化学实体的发现提供帮助。

图2. DHA调控KA诱导的癫痫模型小鼠脑内的铁稳态。

该研究工作得到国家自然科学基金面上项目、江苏省特聘教授计划、医药生物技术国家重点实验室开放课题等科研项目资助。邵晨雯博士与刘雅妮（博士生）为该论文的共同第一作者，钱勇教授为通讯作者。这项工作得到了南京大学闫超教授、朱海亮教授、赵劲教授、孔令东教授、陈张鹏博士、南京医科大学秦亚娟博士的大力支持与帮助。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请钱勇教授代表研究团队进行了专访，请他为大家进一步详细解读。

CellPress：

铁稳态失衡在神经系统疾病中发挥重要作用，但是目前仍缺少活体大脑中活性亚铁离子（Fe²⁺）分布的直接成像证据，请问这里的难点都有哪些？

钱勇教授：

目前对活体大脑中的亚铁离子分布进行直接成像面临的挑战主要包括以下几个方面：首先针对活体，那就需要非创伤性跨越血脑屏障，将显影剂递送至脑内，可以说血脑屏障渗透性是开发靶向活体脑部显影剂的先决条件；其次是生物相容性，需要降低检测手段的毒副作用；三是时空分辨率，是否具有较深的组织穿透性、稳定性也是在生物体中长期示踪的必要条件；四是灵敏度和响应速率等，活性Fe²⁺不稳定，需要实时检测才能看清它的一举一动。

CellPress：

请问本研究开发的近红外激发双光子荧光探针（FeP）有何特点，使其可以适用于活体Fe²⁺的脑成像。

钱勇教授：

我们研发出的FeP的特点主要有：第一，具有非常优异的血脑屏障渗透性，可以快速有效地穿透血脑屏障到达脑部；第二，具有双光子近红外的激发和发射波长的光谱范围，保证了其可以有效地透过脑组织显示出明亮的荧光，并且避免了生物体自发荧光的干扰；第三，具有出色的选择性、灵敏度和光稳定性等，以上的一些主要特征使其非常适用于活体内脑成像。

CellPress：

请问癫痫小鼠和正常小鼠大脑内Fe²⁺的含量有何差异？

钱勇教授：

我们通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测定研究首先观察到了癫痫小鼠中总铁含量是显著高于正常小鼠的。当我们利用探针FeP对脑组织匀浆、活体小鼠、离体大脑以及脑组织切片进行成像研究时，我们发现在癫痫小鼠样本中的荧光强度明显高于正常小鼠样本，这一结果表明在癫痫小鼠大脑内活性Fe²⁺的含量是异常高于正常小鼠的。

CellPress：

请问双氢青蒿素（DHA）是如何通过调节铁稳态来发挥其抗癫痫作用的？

钱勇教授：

通过对癫痫模型小鼠的动物行为学、脑电图监测等研究，我们发现DHA对癫痫小鼠具有潜在的调控与治疗作用。初步的研究我们观察到DHA可以明显改善KA诱导的应激压力下神经元内Fe²⁺和脂质过氧化物的异常积累，我们推测DHA可能通过调控癫痫小鼠脑内铁稳态以及相关途径来发挥抗癫痫作用。通过后续系列分子机制方面的研究，我们发现一种铁转运蛋白LCN2在癫痫模型小鼠大脑中表达显著增加，它是反应性星形胶质细胞分泌的神经毒性因子，可选择性地促进神经元死亡，而DHA预处理组中的LCN2的表达却被显著抑制，揭示了DHA可能通过调控反应性星形胶质细胞分泌的LCN2，从而在癫痫小鼠大脑铁稳态和神经元损伤中发挥重要作用。此外，我们也发现DHA可以上调GPX-4蛋白的表达水平，下调Ac-p53和TfR1的表达，降低了铁蛋白含量，从而缓解了神经元铁死亡。需要指出的是，本研究只初步在小鼠模型中观察到了DHA的潜在调控作用，对于DHA能否通过调节脑内铁稳态来发挥抗癫痫作用以及其具体的信号通路等机制还有待进一步更深入的研究来证实。

CellPress：

请问本研究的成果能够为评估活体癫痫小鼠大脑中的Fe²⁺状态及癫痫的治疗提供怎样的帮助？

钱勇教授：

我们合理利用构建的荧光传感工具FeP探针对癫痫小鼠进行三维双光子脑成像，直接观察到癫痫发生发展过程中小鼠大脑内Fe²⁺含量的动态变化，首次为3D脑成像监测神经系统疾病模型小鼠脑内Fe²⁺的动态分布提供了研究平台。另外，我们通过将FeP探针用于高通量筛选化学调控剂，并且发现DHA可能作为一种潜在的癫痫治疗候选小分子，也为铁死亡调节剂的筛选提供了新的研究方法平台。该研究工作也进一步揭示了癫痫疾病与神经细胞铁死亡机制间的联系，可能有利于进一步推进治疗癫痫疾病的新化学实体的发现。

CellPress：

请问您下一步的工作重点是什么？

钱勇教授：

我们目前正聚焦于与神经细胞脂质代谢相关的关键酶探针的研发，通过优化探针的结构，提升探针的血脑屏障渗透率以及信噪比，利用化学生物学的方法，探索这些关键蛋白的时空分布和功能活性调控等。我们也计划对这些通过探针筛选发现的可调控神经退行性疾病的天然产物的化合物结构加以改造，利用蛋白质组等组学技术，针对相关信号通路及机制进行深入研究，为疾病的预防和治疗挖掘新靶点。

作者简介

钱勇 

教授

钱勇博士，南京师范大学化学与材料科学学院教授，博士生导师，江苏省特聘教授，德国洪堡学者。长期致力于脑内应激过程关键生物分子的探测成像及功能调控研究，研究成果发表在PNAS, Nature. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Cell Chem. Biol., Adv. Sci.等杂志上，并获得多项国家发明专利授权。

https://orcid.org/0000-0003-3788-3575

http://hky.njnu.edu.cn/info/1186/5723.htm

邵晨雯 

博士

邵晨雯博士，南京大学博士。博士期间围绕“神经退行性疾病的可视化诊断与干预疾病的先导化合物研发及其作用机制”相关研究，以第一及共同第一作者身份在PNAS, Cell Chem. Biol., Adv. Sci., Anal. Chem., Eur. J. Med. Chem.等国际学术期刊上发表SCI论文8篇。

刘雅妮 

博士生

刘雅妮，南京大学博士生。主要研究方向为新型生物传感器的开发用于揭示细胞器互作机制研究。

相关论文信息

研究成果发表在Cell Press旗下Cell Chemical Biology期刊上，点击“阅读全文”或扫描下方二维码查看论文。

▌论文标题：

3D two-photon brain imaging reveals dihydroartemisinin exerts antiepileptic effects by modulating iron homeostasis

▌论文网址：

https://www.cell.com/cell-chemical-biology/fulltext/S2451-9456(21)00520-1

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2021.12.006

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