活细胞成像在中枢神经系统（CNS）疾病和紊乱研究中的应用

     研究人类中枢神经系统（CNS）疾病和紊乱的原因以寻求有效的治疗方式需要体外和体内疾病模型，这些模型真实的再现了各自的神经病理生理情况，同时也通过必要的细胞机制支持神经元以提供翻译结果的治疗方式作出反应^1-3。  

 

      此外，我们需要研究最早的神经病理生理变化，因为这些变化为早期诊断和干预提供了绝佳机会。神经突触的结构和功能变化通常是许多神经退行性疾病和中枢神经系统疾病中最早的病理变化。

 

      为了检测早期的突触功能障碍，科学家们利用活细胞成像技术来提供单细胞影像，并实时分析实验条件的变化情况下细胞形态变化。本通讯讨论了活体细胞成像在中枢神经系统疾病和疾病的体外和体内研究中的应用。

 

      设计与生物学相关的体外和体内活细胞成像实验需要健康、成熟的神经元，神经元需要具有适当的突触结构和功能（即形态和电活性）（下图）。主要成像目标是突触前和突触后结构和相关蛋白（例如，突触囊泡蛋白、神经递质受体、离子通道、支架蛋白或细胞骨架蛋白[F-actin、微管]），因为它们是最早发生病理变化的基质⁴（下图）。

 

  

 

      评估突触结构或功能变化的方法包括测量突触密度、轴突长度、脊椎密度、节点（轴突在细胞体上的位置）、树突分支或电活动⁴。  

 

      体外培养的哺乳动物神经元的活细胞成像，包括人类诱导多能干细胞（hipsc）来源的神经元，由于它与人类神经元之间具有更大的生物学相关性⁸，能够揭示与人类神经退行性疾病（如阿尔茨海默病（AD）和帕金森病）相关的独特的机理和功能发现。载脂蛋白E（apoe-E）是一种与AD发病密切相关的蛋白，但apoe-E及其代谢产物在神经元生理学中的作用尚未得到重视。

 

      近期研究发现，分化的SH-SY5Y神经母细胞瘤经25kDa片段或全长apoe-E长期治疗后显示出神经增生（通过活细胞成像评估轴突长度和细胞融合的阳性变化）⁹，初步药物筛选研究也受益于这种方法。在AD中，两种最常见的药物靶点是淀粉样β蛋白（aβ）和tau蛋白，因为这两种蛋白都对突触有早期病理作用^5-7。

 

      近年来，有学者对HIPSC来源的神经元进行了活体细胞成像，筛选出几种抗病理性Aβ的候选抗体，通过在不同梯度抗体孵育时间和浓度范围内量化轴突长度和树突分支点的变化来评估阳性免疫治疗结果¹⁰。

 

 

 

 

人诱导神经元（INS）分化过程0-21天的活细胞成像

 

 

      在另一项Aβ研究中，Hong等人¹¹对活体HIPSC衍生神经元进行了成像，用从死后人类大脑提取物中分离出的Aβ低聚物对这些神经元进行处理，通过定量分析轴突长度和突触可塑性的变化，并结合长期电位记录来评估低聚物的病理生理特性。

 

      随着对tau构象敏感的第一个基因编码的促进共振能量转移（FRET）传感器的诞生，tau蛋白成为一项新技术的焦点，该传感器监测了活的hela细胞和永生的HT22海马神经元在药物治疗后，微管（mts）存在和不存在的情况下野生型和病理突变的tau蛋白的构象 ¹²，这个tau-FRET传感器提供了非常宝贵的定量和定性数据，涉及tau与mts结合的调节、可溶性与不溶性（病理性）tau的比率和如何影响tau的构象以利于非病理形式。

 

 

 

 

Tau蛋白构象敏感传感器（CST）在活细胞中的成像

 

 

      体内动物模型是体外细胞培养模型的补充，动物神经元的活体细胞成像通常使用双光子显微镜进行，这种显微镜允许在自然状态下和在互联支持网络的较大环境中观察功能性神经元的单细胞影像¹³，通过这种方式，动物体内的活细胞成像产生了变革性，研究者有机会实时可视化的分析细胞动态过程。

 

      此外，单细胞体内成像可对感觉、行为变化和药物治疗过程中的神经元功能反应进行量化¹³。体内双光子活细胞成像被应用于寻找抗帕金森（PD）药物的靶向α-突触核蛋白的作用机制¹⁴，以及评估将胚胎细胞移植到受损成人大脑区域以替换死亡或即将死亡的神经原^15-17的可行性和最佳时机、宿主和供体条件。

 

      此外，体内成像可以揭示新的治疗方法，MPTP小鼠PD模型活细胞成像显示，MPTP处理小鼠运动皮质神经元的结构和功能突触可塑性受多巴胺能神经元选择性丢失的影响，提高了调控运动皮质特定区域的神经元活动是治疗PD相关运动损伤的可行选择的可能性¹⁸。

 

 

PD小鼠模型中运动皮质脊柱的动态变化

      总结

      活体细胞成像技术是研究中枢神经系统疾病和障碍的宝贵工具，它不仅能让研究者对基本疾病/障碍生物学进行深入的了解，而且能实时了解药理、遗传和行为治疗干预的功能后果。再加上超分辨率显微镜和自动化活细胞成像技术的进步¹⁹，我们有很好的机会来关注第一次病理性突触变化，这种变化可以通过早期治疗干预来停止或逆转。

 

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      参考文献：

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.

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