科学家开发新型荧光探针，为解决基础生物医学难题提供高性能工具

“这篇论文一共经历了三位审稿人，评价都很正面。因为我们所开发的探针是目前全世界少数几个在细胞中的灵敏度达到十倍以上的，所以第一位审稿人认为这项工作实现了巨大的飞跃。

第二位审稿人则认为该探针各方面性能都很好，能为研究环磷酸腺苷 （cAMP，cyclic AMP）相关信号通路的生物学家提供强大的工具，开启研究 cAMP 的大门。”谈及论文审稿人的评价，中国科学院深圳先进技术研究院医工所生物医学光学与分子影像研究中心储军研究员信心十足地表示。

图 | 储军（来源：资料图）

借助蛋白理性设计和定向进化等前沿技术，储军及团队开发了基于荧光蛋白的环化重排探针。这个被称为 G-Flamp1 的基因编码探针，在活体细胞内的荧光变化可达 12 倍，拥有很高的灵敏度，较高的亮度，适当的亲和力以及快速响应动力学等优势，能够高灵敏监测到大脑内的内源性 cAMP 信号变化。

2022 年 9 月 12 日，相关论文以《一种用于体内 cAMP 成像的高性能基因编码荧光指示剂》（A high-performance genetically encoded fluorescent indicator for in vivo cAMP imaging）为题在 Nature Communications 上发表[1]。

中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员王亮博士和北京大学博士后邬春灵共同担任论文第一作者，储军担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

用基因编码探针追踪 cAMP 的时空动态变化

cAMP 是细胞中非常关键的一类分子，能发挥调节细胞内多种功能活动的作用，也被称作“第二信使”。

“如果我们把细胞内的诸多分子看作一个网络，第二信使就是将网络信号传给其他终端的节点，而 cAMP 就是其中一个节点。”储军解释道。

cAMP 与免疫、代谢、药物成瘾等人体内的生理过程密切相关。因此，要想深入研究这些过程，需在活体内实时监测 cAMP 信号的变化。

为探寻分子的变化，研究人员主要从时间和空间这两个维度出发进行研究。不过，如何在活体内追踪 cAMP 分子的变化，是需要解决的关键问题。

只需开发光学分子探针，再配合先进的光学显微成像技术，就能对分子变化进行实时动态非侵入式的监测。

目前，全世界已开发出约 50 个类似 cAMP 探针，但因各自存在的局限，并不能很好地解决问题。比如，探针灵敏度较低，信号变化仅有 1.5 倍，难以追踪活体内分子变化；或是，探针光亮较暗，很难帮助研究人员理解生理或病理过程与 cAMP 之间的关系。

正是在此背景下，基因编码探针 G-Flamp1 得以被开发。其不具备基于纳米材料、染料等类型的探针会有的高毒性、不可遗传等缺点，可以很好地定位到细胞内的任一具体位置，并完美地反映活体内某一行为下 cAMP 的变化过程。

图 | G-Flamp1 原理图及体外表征（来源：Nature Communications）

利用 G-Flamp1，储军团队测试了果蝇和小鼠在不同行为下 cAMP 变化的过程。

首先，在受到气味刺激的条件下，为探究果蝇脑蘑菇体中 Kenyon 细胞里的 cAMP 分子能否发挥作用，研究人员借助双光子成像技术，发现果蝇脑蘑菇体不同子区域所呈现出的 cAMP 时空动态变化不同。

图 | 通过双光子成像技术，G-Flamp1 揭示了果蝇受生理刺激诱发的 cAMP 动力学（来源：Nature Communications）

接着，该团队想了解 G-Flamp1 在活体中监测与生理相关的 cAMP 变化的效用，就在小鼠运动皮层神经元中共表达 G-Flamp1 和红色钙离子探针 jRGECO1a 。借助双光子成像技术，G-Flamp1 展示了受到运动诱导后的小鼠运动皮层神经元的 cAMP 信号的变化。

图 | （来源：Nature Communications）

随后，为测试 G-Flamp1 监测大脑底部区域 cAMP 变化的能力，储军团队使用纤维光度法，测量小鼠大脑里伏隔核(NAc，nucleus accumben)中的 cAMP 水平。其首先将表达 G-Flamp1 的腺相关病毒注入 NAc，并使用光纤光度法测量荧光信号，同时训练小鼠执行条件反射任务。

结果显示，水奖赏实验里的 G-Flamp1 信号在学习过程中，表现出了特征性动力学。具体来说，在整个训练过程中，水诱发反应的幅度减小，而对奖赏预测声音的反应逐渐增加。这一动态变化模拟了经典条件反射时期的多巴胺信号，表明 NAc 中 cAMP 的增加主要是由多巴胺释放驱动的。

（来源：Nature Communications）

解决基础生物医学难题，积极推进相关成果转化

该成果主要有以下两方面的应用。

从基础研究来看，科学家利用 G-Flamp1 可以解决目前很多基础的生物医学问题，比如探究药物成瘾或学习记忆中 cAMP 的变化规律。

从成果转化来看，利用 G-Flamp1，科学家可以快速高通量地筛选与 G 蛋白偶联受体（GPCRs，G Protein-Coupled Receptors）相关的药物。

其中，值得一提的是，GPCRs 是目前最大的一个药物靶标，由美国食品药品监督管理局批准的药物中，超过三分之一的药物都针对 GPCR 这一类家族蛋白。再加上由于 cAMP 是 GPCR 的一个下游分子，所以当有药物对GPCR 进行激活或抑制时，其下游的 cAMP 的浓度就会发生变化。综上，这或将成为一个非常广泛的应用。

2015 年 3 月 15 日，储军从美国回到深圳。彼时，他期待在国内开展世界顶尖级的工作，并发表高质量论文。一开始，仍以荧光蛋白为主要研究方向，后来他发现难以实现较大突破后，将目光聚焦到基于荧光蛋白的环化重排探针，并将 cAMP 分子探针确定为主攻方向。

储军采用环化重排荧光蛋白这项最为前沿的技术，来构建具备高性能的新型探针。他说：“这个原理非常简单，但做起来会很困难。因为做这个探针有点类似于筛选药物，需要经过大量的高通量筛选，也会面临较多的不确定因素。”

经过一年半的努力，他和课题组开发出一个荧光变化约有 20% 的 cAMP 探针，但这与世界上最好的探针仍有较大差距。经过漫长的优化过程后，最终，其得到了荧光变化为 1200% 的 cAMP 探针 G-Flamp1。

回顾整项研究，储军非常难忘且深有感触。他表示，这篇论文之所以能够发表，离不开学界很多教授和老师提供的无私帮助，课题组成员的坚持不懈以及其背后家人的大力支持。

关于这项研究的后续计划，储军及课题组将从以下三个方面出发。

第一，优化或提升探针性能，满足不同生物医学场景的需求。

第二，开发长波长的 cAMP 探针，并联合其他短波长探针，同时监测某一特定行为下两个不同分子的变化。

第三，充分发挥探针的工具属性，利用探针解决更多尚未解决的生物学问题。

同时，该课题组也希望能与国内致力于开发原创新药的企业合作，利用其探针进行药物筛选，在中国进行药物的自主研发。

参考资料：

1.L.Wang, C.Wu, W.Peng, Z.Zhou.et al. A high-performance genetically encoded fluorescent indicator for in vivo cAMP imaging. Nat. Commun.(2022). https://www.nature.com/articles/s41467-022-32994-7

由 DeepTech 携手《麻省理工科技评论》重磅推出的《科技之巅：全球突破性技术创新与未来趋势（20 周年珍藏版）》已开启预售！点击下方海报可预购图书！