新聞科研進展
近日，徐富強研究團隊（中科院精密測量院/深圳先進院）基于新型基因編碼生物磁共振成像技術(shù)，首次建立了一種在體無創(chuàng)全腦檢測星形膠質(zhì)細胞的新技術(shù)。相關(guān)研究進展在學(xué)術(shù)期刊Molecular Psychiatry上發(fā)表。
星形膠質(zhì)細胞是哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)（Central nervous system, CNS）中含量最豐富、分布最廣、胞體最大的一種神經(jīng)膠質(zhì)細胞。星形膠質(zhì)細胞具有多種至關(guān)重要的生物學(xué)功能，其功能異常參與多種疾病的致病過程。然而，星形膠質(zhì)細胞形態(tài)不均且高度復(fù)雜，在同一腦區(qū)或不同腦區(qū)之間均有不同，且在生理和病理狀態(tài)下也是動態(tài)變化的。因此，全腦維度無損檢測并跟蹤星形膠質(zhì)細胞的動態(tài)變化相關(guān)技術(shù)的研發(fā)迫在眉睫。研究團隊通過整合重組腺相關(guān)病毒載體（rAAV）和磁共振成像活體檢測的優(yōu)勢，逐步在細胞水平，腦區(qū)水平及全腦水平實現(xiàn)星形膠質(zhì)細胞的活體無損檢測（圖1）。
全腦無損檢測星形膠質(zhì)細胞的研究策略
自2016年起，研究團隊在精密測量院研究員徐富強和王杰的帶領(lǐng)下，聯(lián)合磁共振成像與病毒基因改造技術(shù)率先提出一種新型基因編碼生物磁共振成像技術(shù)，逐步實現(xiàn)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)（Neuroimage, 2019; Human Brain Mapping, 2021）和星形膠質(zhì)細胞（Molecular Psychiatry, 2022）在體水平的無創(chuàng)檢測。其中，rAAV是近年來發(fā)展極為迅速的一類工具病毒，是研究神經(jīng)科學(xué)相關(guān)問題和基因治療的重要載體。團隊首先對rAAV工具病毒的衣殼蛋白進行突變改造，并利用人類膠質(zhì)纖維蛋白的啟動子GFAP構(gòu)建rAAV載體，提升了病毒工具在星形膠質(zhì)細胞的轉(zhuǎn)導(dǎo)效率（圖2）。
AAV病毒載體突變位點示意圖及重組改造后特異性標記星形膠質(zhì)細胞效果
另外，水通道蛋白（Aquaporin, AQP）是一組高度保守的跨膜轉(zhuǎn)運蛋白，對水具有高度選擇通透性。過表達AQP1蛋白可產(chǎn)生彌散加權(quán)成像（Diffusion-weighted imaging，DWI）信號的改變，因而水通道蛋白基因可作為磁共振成像報告基因。團隊繼續(xù)對病毒載體rAAV2/5和rAAV2/PHP.eB進行優(yōu)化改造，使其同時攜帶水通道蛋白報告基因和熒光元件，構(gòu)建新型工具病毒，逐步實現(xiàn)腦區(qū)和全腦水平的星形膠質(zhì)細胞的無創(chuàng)活體成像。在全腦成像研究中，團隊構(gòu)建可高效通過血腦屏障的新型rAAV2/PHP.eB-AQP1-EGFP工具病毒，利用尾靜脈注射技術(shù)將該病毒注入小鼠體內(nèi)，在病毒表達兩周和三周后分別進行MRI活體成像，最終利用熒光成像對活體成像效果進行評估（圖3）。結(jié)果顯示，該新型基因編碼生物磁共振成像技術(shù)不僅可實現(xiàn)星形膠質(zhì)細胞的活體全腦成像，而且其成像時間適用于常用的光遺傳學(xué)/藥理遺傳學(xué)相關(guān)研究。
活體全腦星形膠質(zhì)細胞成像及其熒光成像效果驗證
全腦維度星形膠質(zhì)細胞的新型檢測技術(shù)的開發(fā)將有助于加強對星形膠質(zhì)細胞功能的理解，提升對其在調(diào)控整個中樞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的認識，為研究神經(jīng)系統(tǒng)疾病的致病機制和治療靶點提供了新思路。另外，該技術(shù)可應(yīng)用到疾病模型小鼠相關(guān)的星形膠質(zhì)細胞異常的相關(guān)機制研究，為此類疾病的早期預(yù)防起到了重要作用。
該研究以“In vivo Imaging of Astrocytes in the Whole Brain with Engineered AAVs and Diffusion Weighted Magnetic Resonance Imaging”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Molecular Psychiatry上。深圳先進技術(shù)研究院博士后李梅和精密測量院博士柳壯為該文章的共同第一作者，王杰和徐富強為通訊作者。
該項目獲得國家自然科學(xué)基金等項目的支持。該項目所涉及的病毒工具均可從布林凱斯（深圳）生物技術(shù)有限公司直接獲得。
研究論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41380-022-01580-0