活細(xì)胞成像在中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）疾病和紊亂研究中的應(yīng)用

     研究人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）疾病和紊亂的原因以尋求有效的治療方式需要體外和體內(nèi)疾病模型，這些模型真實(shí)的再現(xiàn)了各自的神經(jīng)病理生理情況，同時(shí)也通過必要的細(xì)胞機(jī)制支持神經(jīng)元以提供翻譯結(jié)果的治療方式作出反應(yīng)^1-3。  

 

      此外，我們需要研究最早的神經(jīng)病理生理變化，因?yàn)檫@些變化為早期診斷和干預(yù)提供了絕佳機(jī)會(huì)。神經(jīng)突觸的結(jié)構(gòu)和功能變化通常是許多神經(jīng)退行性疾病和中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中最早的病理變化。

 

      為了檢測早期的突觸功能障礙，科學(xué)家們利用活細(xì)胞成像技術(shù)來提供單細(xì)胞影像，并實(shí)時(shí)分析實(shí)驗(yàn)條件的變化情況下細(xì)胞形態(tài)變化。本通訊討論了活體細(xì)胞成像在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病和疾病的體外和體內(nèi)研究中的應(yīng)用。

 

      設(shè)計(jì)與生物學(xué)相關(guān)的體外和體內(nèi)活細(xì)胞成像實(shí)驗(yàn)需要健康、成熟的神經(jīng)元，神經(jīng)元需要具有適當(dāng)?shù)耐挥|結(jié)構(gòu)和功能（即形態(tài)和電活性）（下圖）。主要成像目標(biāo)是突觸前和突觸后結(jié)構(gòu)和相關(guān)蛋白（例如，突觸囊泡蛋白、神經(jīng)遞質(zhì)受體、離子通道、支架蛋白或細(xì)胞骨架蛋白[F-actin、微管]），因?yàn)樗鼈兪亲钤绨l(fā)生病理變化的基質(zhì)⁴（下圖）。

 

  

 

      評估突觸結(jié)構(gòu)或功能變化的方法包括測量突觸密度、軸突長度、脊椎密度、節(jié)點(diǎn)（軸突在細(xì)胞體上的位置）、樹突分支或電活動(dòng)⁴。  

 

      體外培養(yǎng)的哺乳動(dòng)物神經(jīng)元的活細(xì)胞成像，包括人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（hipsc）來源的神經(jīng)元，由于它與人類神經(jīng)元之間具有更大的生物學(xué)相關(guān)性⁸，能夠揭示與人類神經(jīng)退行性疾�。ㄈ绨�爾茨海默�。ˋD）和帕金森病）相關(guān)的獨(dú)特的機(jī)理和功能發(fā)現(xiàn)。載脂蛋白E（apoe-E）是一種與AD發(fā)病密切相關(guān)的蛋白，但apoe-E及其代謝產(chǎn)物在神經(jīng)元生理學(xué)中的作用尚未得到重視。

 

      近期研究發(fā)現(xiàn)，分化的SH-SY5Y神經(jīng)母細(xì)胞瘤經(jīng)25kDa片段或全長apoe-E長期治療后顯示出神經(jīng)增生（通過活細(xì)胞成像評估軸突長度和細(xì)胞融合的陽性變化）⁹，初步藥物篩選研究也受益于這種方法。在AD中，兩種最常見的藥物靶點(diǎn)是淀粉樣β蛋白（aβ）和tau蛋白，因?yàn)檫@兩種蛋白都對突觸有早期病理作用^5-7。

 

      近年來，有學(xué)者對HIPSC來源的神經(jīng)元進(jìn)行了活體細(xì)胞成像，篩選出幾種抗病理性Aβ的候選抗體，通過在不同梯度抗體孵育時(shí)間和濃度范圍內(nèi)量化軸突長度和樹突分支點(diǎn)的變化來評估陽性免疫治療結(jié)果¹⁰。

 

 

 

 

人誘導(dǎo)神經(jīng)元（INS）分化過程0-21天的活細(xì)胞成像

 

 

      在另一項(xiàng)Aβ研究中，Hong等人¹¹對活體HIPSC衍生神經(jīng)元進(jìn)行了成像，用從死后人類大腦提取物中分離出的Aβ低聚物對這些神經(jīng)元進(jìn)行處理，通過定量分析軸突長度和突觸可塑性的變化，并結(jié)合長期電位記錄來評估低聚物的病理生理特性。

 

      隨著對tau構(gòu)象敏感的第一個(gè)基因編碼的促進(jìn)共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）傳感器的誕生，tau蛋白成為一項(xiàng)新技術(shù)的焦點(diǎn)，該傳感器監(jiān)測了活的hela細(xì)胞和永生的HT22海馬神經(jīng)元在藥物治療后，微管（mts）存在和不存在的情況下野生型和病理突變的tau蛋白的構(gòu)象 ¹²，這個(gè)tau-FRET傳感器提供了非常寶貴的定量和定性數(shù)據(jù)，涉及tau與mts結(jié)合的調(diào)節(jié)、可溶性與不溶性（病理性）tau的比率和如何影響tau的構(gòu)象以利于非病理形式。

 

 

 

 

Tau蛋白構(gòu)象敏感傳感器（CST）在活細(xì)胞中的成像

 

 

      體內(nèi)動(dòng)物模型是體外細(xì)胞培養(yǎng)模型的補(bǔ)充，動(dòng)物神經(jīng)元的活體細(xì)胞成像通常使用雙光子顯微鏡進(jìn)行，這種顯微鏡允許在自然狀態(tài)下和在互聯(lián)支持網(wǎng)絡(luò)的較大環(huán)境中觀察功能性神經(jīng)元的單細(xì)胞影像¹³，通過這種方式，動(dòng)物體內(nèi)的活細(xì)胞成像產(chǎn)生了變革性，研究者有機(jī)會(huì)實(shí)時(shí)可視化的分析細(xì)胞動(dòng)態(tài)過程。

 

      此外，單細(xì)胞體內(nèi)成像可對感覺、行為變化和藥物治療過程中的神經(jīng)元功能反應(yīng)進(jìn)行量化¹³。體內(nèi)雙光子活細(xì)胞成像被應(yīng)用于尋找抗帕金森（PD）藥物的靶向α-突觸核蛋白的作用機(jī)制¹⁴，以及評估將胚胎細(xì)胞移植到受損成人大腦區(qū)域以替換死亡或即將死亡的神經(jīng)原^15-17的可行性和最佳時(shí)機(jī)、宿主和供體條件。

 

      此外，體內(nèi)成像可以揭示新的治療方法，MPTP小鼠PD模型活細(xì)胞成像顯示，MPTP處理小鼠運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)和功能突觸可塑性受多巴胺能神經(jīng)元選擇性丟失的影響，提高了調(diào)控運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)特定區(qū)域的神經(jīng)元活動(dòng)是治療PD相關(guān)運(yùn)動(dòng)損傷的可行選擇的可能性¹⁸。

 

 

PD小鼠模型中運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)脊柱的動(dòng)態(tài)變化

      總結(jié)

      活體細(xì)胞成像技術(shù)是研究中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病和障礙的寶貴工具，它不僅能讓研究者對基本疾病/障礙生物學(xué)進(jìn)行深入的了解，而且能實(shí)時(shí)了解藥理、遺傳和行為治療干預(yù)的功能后果。再加上超分辨率顯微鏡和自動(dòng)化活細(xì)胞成像技術(shù)的進(jìn)步¹⁹，我們有很好的機(jī)會(huì)來關(guān)注第一次病理性突觸變化，這種變化可以通過早期治療干預(yù)來停止或逆轉(zhuǎn)。

 

      艾美捷科技能為您提供全套的有價(jià)值的研究工具：如Cytoskeleton的用于f-actin、微管、DNA和溶酶體的活細(xì)胞成像探針，以及純化的細(xì)胞骨架蛋白、活化分析和抗體；iRegene的人源神經(jīng)干細(xì)胞（hNSC）細(xì)胞株、配套的干細(xì)胞培養(yǎng)基及神經(jīng)元定向培養(yǎng)基；StressMarq的活性α突觸蛋白和Tau蛋白等優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，都可以對這些研究起到很大推動(dòng)作用。

 

      Cytoskeleton的活細(xì)胞成像相關(guān)產(chǎn)品：

 

      活細(xì)胞成像試劑盒：

    廠家內(nèi)部質(zhì)檢：

      Actin生化試劑盒：  

 

      Tubulin生化試劑盒：

 

 

       iRegene的人源干細(xì)胞株及配套培養(yǎng)試劑盒：  

 

      StressMarq的活性α突觸蛋白和Tau蛋白，便于快速構(gòu)建神經(jīng)疾病動(dòng)物模型：  

 

 

      參考文獻(xiàn)：

1. Neurological disease models made clear. Med.(Editorial, published September 2015). 21, 964.
2. Schlachetzki J.C. et al. 2013. Studying neurodegenerative diseases in culture models.  Bras. Psiquiatr.35, S92-100.
3. Hughes P. et al. 2018. The costs of using unauthenticated, over-passaged cell lines: how much more data do we need? Biotechniques. 43, 575, 577-578, 581-582
4. Verstraelen P. et al. 2018. Image-based profiling of synaptic connectivity in primary neuronal cell culture.  Neurosci. 12, 389.
5. Hoover B.R. et al. 2010. Tau mislocalization to dendritic spines mediates synaptic dysfunction independently of neurodegeneration. Neuron. 68, 1067-1081
6. Spires-Jones T.L. and Hyman B.T. 2014. The intersection of amyloid beta and tau at synapses in Alzheimer’s disease. Neuron. 82, 756-771.
7. Bayer T.A. and Wirths O. 2010. Intracellular accumulation of amyloid-beta – a predictor for synaptic dysfunction and neuron loss in Alzheimer’s disease. Front. Aging Neurosci. 2, 8
8. Unternaehrer J.J. and Daley G.Q. 2011. Induced pluripotent stem cells for modelling human diseases.  Trans. R. Soc. B.366, 2274-2285.
9. Munoz S.S. et al. 2018. The serine protease HtrA1 contributes to the formation of an extracellular 25-kDa apolipoprotein E fragment that stimulates neuritogenesis.  Biol. Chem. 293, 4071-4084
10. Jin M. et al. 2018. An in vitro paradigm to assess potential anti-Aβ antibodies for Alzheimer’s disease.  Commun.9, 2676.
11. Hong W. et al. 2018. Diffusible, highly bioactive oligomers represent a critical minority of soluble Aβ in Alzheimer’s disease brain. Acta Neuropathol.136, 10-40
12. Di Primio C. et al. 2017. The distance between N and C termini of tau and of FTDP-17 mutants is modulated by microtubule interactions in living cells.  Neurosci.10, 210.
13. White M.D. et al. 2018. In vivo imaging of single mammalian cells in development and disease. Trends Mol. Med.24, 278-293.
14. Wrasidlo W. et al. 2016. A de novo compound targeting alpha-synuclein improves deficits in models of Parkinson’s disease. 139, 3217-3236.
15. Falkner S. et al. 2016. Transplanted embryonic neurons integrate into adult neocortical circuits. Nature. 539, 248-253.
16. Peron S. et al. 2017. A delay between motor cortex lesions and neuronal transplantation enhances graft integration and improves repair and recovery.  Neurosci.37, 1820-1834.
17. Wang C. et al. 2016. Infiltrating cells from host brain restore the microglial population in grafted cortical tissue.  Rep.6, 33080.
18. Guo L. et al. 2015. Dynamic rewiring of neural circuits in the motor cortex in mouse models of Parkinson’s disease.  Neurosci.18, 1299-1309.
19. Shin H.Y. et al. 2018. Using automated live cell imaging to reveal early changes during human motor neuron degeneration. eNeuro. doi: 10.1523/ENEURO.0001-18.2018.

      作為Cytoskeleton、iRegene、 StressMarq在中國的區(qū)域總代理，艾美捷科技有限公司將為中國客戶提供最全面的Cytoskeleton、iRegene、 StressMarq產(chǎn)品與服務(wù)。