华东师范大学考研网，华东师范大学考研网上确认
1
研究内容
开发一种能够实时监测和同时大规模量化大脑中细胞内/细胞外化学信号的新工具是理解神经元内外分子之间相互作用的关键瓶颈。多巴胺（DA）是一种重要的儿茶酚胺神经递质，与氧化还原稳态密切相关。L半胱氨酸（Cys）作为唯一的还原性氨基酸和重要的抗氧化剂，在保护大脑免受氧化应激损伤方面发挥着重要作用。氧化应激相关的神经系统疾病，如抑郁症，导致Cys和DA水平异常。然而，这两种分子之间的相互作用以及所涉及的调节途径仍不清楚。
华东师范大学田阳教授课题组建立了高密度的细胞内/细胞外光生理学，同时开发了两种用于特异性识别Cys和DA的探针，用于在自由运动的动物的大脑中以高选择性和准确性同时定量细胞内Cys和细胞外DA的拉曼信号，并记录电信号。结果发现，细胞内Cys通过诱导抑郁小鼠大脑中酪氨酸羟化酶的表达来调节细胞外DA。相关工作以“High-Density Optophysiology for Recording Intracellular and Extracellular Signals across the Brain of Free-Moving Animals”为题发表在国际著名期刊Angewandte Chemie International Edition上。
2
研究要点
要点1.作者设计并合成了一系列具有不同共轭结构和不同取代基的分子（CP1-CP9），以高选择性和高灵敏度确定了（E）-2-（3-（4-乙炔基苯基）丙烯酰基）丙烯酸苯基酯（CysP）作为Cys的最佳拉曼探针。同时，设计了基于DA适配体的探针（DAP）用于对DA的特异性识别。
要点2.作者将CysP和DAP组装到合成的金纳米星（GNs）上，进一步被组装在光纤尖端上，用于神经元中分子成像和传感的探针则自由穿透细胞。从细胞外和细胞内获得的信号被激发并用单根光纤收集。此外，作者分别优化了在生物沉默区显示拉曼信号的4-乙炔基苯甲腈（EBN）和1,4-二乙炔基苯（DEB）作为参考元素，提高Cys和DA定量的准确性。
要点3.使用该工具，作者首次观察到细胞内Cys的增加导致细胞外DA水平升高，主要通过促进酪氨酸羟化酶（TH）的表达而不是抑制多巴胺转运蛋白（DAT）的表达。基于高密度纤维阵列建立了32个脑区与Cys和DA相关的功能网络，并将其划分为7个脑结构。此外，与正常小鼠相比，抑郁小鼠大脑相邻区域之间的相关性降低，尤其是与海马、纹状体和下丘脑相关的区域。更有趣的是，研究发现，据报道，Nacetyl-l-半胱氨酸（NAC）对抑郁小鼠的治疗与脑区之间DA和Cys含量的相关性增加以及分子功能网络的恢复有关。
3
研究图文
图1.（a）多纤维微阵列和纤维束连接示意图。（b）锥形光纤的图示和光场分布的模拟。（c）荧光素溶液中锥形纤维的光传输几何结构。（d）CP1-CP9的化学结构（顶部）和通过使用CP4作为代表性实例的整体Cys特异性检测策略（底部）。（e）CysP探针的X射线单晶结构。（f）CysP、EBN、DAP和DEB的拉曼光谱。（g）金纳米星（GNs）的TEM。插图：GNs的高分辨率TEM（右插图）和直径分布（左插图）。（h）将尖端尺寸为10 μm的锥形纤维的SEM和GNs组装到纤维表面上（顶部插图），纤维探针的EDS分析（底部插图）。（i）金纳米星和GNs的UV-vis吸收光谱。（j）Cys和DA同时识别前后开发的探针的SERS光谱。
图2.（a）CysP@GN和DAP@GNF探针，在aCSF（pH=7.40）中添加不同浓度DA（0，1，2，5，10，25，50，100，200，250，300，350，400，500 nM）的DA的SERS光谱。（b）比率峰值强度（I1468/I2110和I1633/I2228）与DA浓度的关系图。(c) CysP@GN和DAP@GNF探针在aCSF（pH=7.40）中添加不同浓度Cys（0，5，7.5，10，20，40，60，75，90，100，125，150，200，250 μM）的SERS光谱。（d）比率峰值强度（I1468/I2110和I1633/I2228）与Cys浓度的关系图。（e）CysP@GN和DAP@GNF探针在aCSF（pH=7.40）中加入不同浓度的DA（2、20、75、150、225、350 nM）和Cys（5、25、50、80、120、150 μM）的SERS光谱。（f）比率峰值强度（I1468/I2110和I1633/I2228）与DA和Cys浓度的校准图。
图3.（a）加入Cys（0、0.5和1当量）后，CysP（5 mM）的部分1H NMR滴定光谱（DMSO-d6/D2O-d2（25:1，v/v），600 MHz）。（b）CysP和CysP-OH的UV-vis吸收光谱。（c）通过CysP（左）和CysP-OH（右）的DFT计算获得的优化基态几何结构和前沿LUMO和HOMO轨道。（d）CysP和CysP-OH的ESP（顶部）和Mulliken原子电荷（底部）。（e）在aCSF中捕获DA后从DAP获得的圆二色性光谱。（f）受体-[5-TAMRA（T）]和供体-[荧光素（f）]标记的适体之间的FRET，在aCSF中捕获DA时从DAP获得。
图4.（a）开发的多纤维微阵列的示意图。（b）微阵列植入位置和组织学图与Allen脑图谱对齐。（c，d）分别腹膜内注射（c）125 mg/kg NAC和（d）100 mg/kg L-Dopa后，在CRS小鼠的8个脑区获得的Cys和DA的拉曼信号（n=10，s.e.m.）。（e）分别从CRS小鼠（I）、存在NAC（II）和L-Dopa（III）的CRS小鼠收集的脑海马中LFP尖峰的代表性痕迹（上图）和功率谱的代表性迹线（下图）。（f，g）分别在NAC和L-Dopa存在下从CRS小鼠和CRS小鼠获得的8个脑区中的（f）Cys和（g）DA浓度的汇总数据。（h）纹状体TH和DAT蛋白水平的蛋白质印迹分析。（i，j）来自（h）的TH/β-actin（i）和DAT/β-aactin（j）表达水平（n=10，s.e.m）。
图5.（a）植入多纤维阵列的大脑表面俯视图。（b）对应于（a）的每个光纤阵列的尺寸。（c）分布在大脑前部（a）、中部（m1和m2）和后部（p）区域的纤维尖端的示意图。数字表示相对于柱头的位置。（d）分别从WT小鼠（I）、CRS小鼠（II）以及用NAC（III）处理的CRS小鼠收集的活脑海马中LFP尖峰（上图）和功率谱（下图）的代表性痕迹。（e-j）WT小鼠（e，h）和CRS小鼠（f，i）32个脑区的Cys含量（e-g）和DA含量（h-j）的功能网络。以及用NAC处理后的CRS小鼠（g，j）。这些线条表明，在两个相连的大脑区域中，Cys（或DA）的含量存在显著相关性，其中蓝色表示Cys，绿色表示DA（n=10，s.e.m）。
4
文献详情
High-Density Optophysiology for Recording Intracellular and Extracellular Signals across the Brain of Free-Moving Animals
Sihan Zhang, Zhichao Liu, Zhonghui Zhang, Weikang Wang, Yang Tian*
Angew. Chem. Int. Ed.
DOI: 10.1002/anie.202301382
版权声明：「崛步化学」旨在分享学习交流化学、材料等领域的最新资讯及研究进展。编辑水平有限，上述仅代表个人观点。投稿，荐稿或合作请后台联系编辑。感谢各位关注！
华东师范大学考研网(华东师范大学考研网上确认)
未经允许不得转载：考研辅导网 » 华东师范大学考研网(华东师范大学考研网上确认)
