催产素与多种精神疾病紧密相关，例如焦虑、自闭症和精神分裂症等。尽管在基础研究领域中，科学家已经认识到神经肽类功能的重要性，但是如何实现催产素的实时动态观测是领域内长期存在的技术难题，阻碍科学家对疾病的深入研究。
传统的检测方法每十分钟只能采样一次，很难如实反映亚秒级的神经活动所引发的神经肽释放情况。由于缺乏精准的检测工具，研究者无从知晓催产素在生理或者病理情况下的动态变化过程。
近期，北京大学团队研发了一种新型荧光探针 GRAB OT1.0 ，该技术可实时检测到大脑中细胞之间的催产素信息传递，从而了解信号的实时动态变化及其具体的传递过程。
新型荧光探针将时间分辨率提升至秒级甚至亚秒级，相当于超过以往检测手段的 1000 倍。并且，该团队还通过遗传手段将探针表达在指定的细胞类型中，对催产素在亚细胞水平的释放机制进行了深入探索。
表示：“我们不仅研发出新型的荧光探针，还通过遗传编码的方式把探针应用到真正的活体检测，实现了像‘读心术’那样实时地看到小鼠大脑的所思所想。”
图丨相关论文（来源：Nature Biotechnology）
近日，相关论文以《一种可基因编码探针用于在亚细胞水平实时检测神经元释放的催产素》（）为题发表在在 Nature Biotechnology 上[1]。
北京大学生命科学学院教授为该论文的通讯作者，北京大学生命科学学院博士研究生钱统瑞、王欢博士和首都医科大学附属北京朝阳医院王鹏博士为论文的共同第一作者。
将时间分辨率提升至亚秒级
该课题组一直在进行神经递质荧光探针相关的技术开发，已经在单胺类神经递质、多巴胺、乙酰胆碱等小分子探针方面取得了重要突破。五年以前，该课题组开始了包括催产素在内的神经肽类探针的开发工作，该研究中的新型催产素荧光探针是以成熟单胺类探针为基础开发的。
指出：“我们在进行多巴胺的信号调控相关研究时，认识到神经肽的种类丰富性远大于小分子类神经递质，它们的功能也很重要。因此我们想到，需要开发一种新工具，既能检测到未知动态的变化、又能了解到和功能紧密相关的化学信息。”
图丨GRAB OT1.0 荧光探针的开发过程和性能鉴定（来源：Nature Biotechnology）
值得关注的是，利用该工具能实时地检测同一细胞、不同亚细胞区域的催产素释放情况，而且该团队在实验中发现，轴突释放、和树突胞体释放依赖不同的释放机制，这也是课题组成员通过开发新工具带来的“意外”发现。
尽管科学家此前已经注意到神经肽类和其他小分子神经递质的释放机制不同，但是之前并没有手段能实时地检测它。“如果调控发生紊乱，由于神经肽和小分子神经递质有不同的释放机制，理论上可通过靶向特定的分子机制，从而提高治疗干预的精准性，这是在以往研究中未曾实现的。”他说。
图丨催产素从轴突和胞体树突释放的分子机制模型（来源：Nature Biotechnology）
实际上，该研究并非一帆风顺，整个研究过程中充满了不确定性。在研究伊始，研究人员尝试通过让人类催产素受体发出荧光。但在实际发展过程中，该团队发现人的受体在细胞里表达荧光蛋白后效果并不理想，其产生的信号很小，这会导致信噪比较差。
在这种情况下，他们尝试了各种不同种类动物催产出受体，最后选定牛的催产素受体作为探针骨架。“牛的催产素氨基酸和人略有不同，在该骨架上，我们发展出的探针信噪比效果更佳，这也是我们通过一步步摸索逐步发展出来的。”说。
为更多领域提供新型研究“利器”
通过该工具不仅能检测出催产素的动态变化，还可以把它的变化和多巴胺等小分子神经递质进行比较。该工具为全领域科学家提供了一种底层技术，通过这种“利器”更好地帮助科学家应用在各种研究范式中。
此外，该研究以催产素为突破口进行探索，未来，科学家可拓展到其他疾病或功能条件下的其他神经肽类进行深度研究，以提供更好的治疗靶点。
在这次研究中，该团队通过新型探针首次实现了“看得见”催产素神经肽类。未来，将继续以团队前期研究基础为契机，将“看得多、看得准、看得深”作为长期的科研目标。
他表示：“我们希望未来能够将神经递质分子‘一网打尽’，例如前列腺素、单胺类其他重要的神经化学分子。”
在对其他神经肽类的神经化学分子实现“看得多”的基础上，未来将以“看得准”为发展方向，希望能够在活体动物中实现对神经化学分子浓度的定量检测。
解释道：“因为神经化学分子常常有好多不同的受体，其受体感受的浓度范围不尽相同。所以，定性地测量神经化学分子信号上升或者下降并不能准确地反映特定受体的激活程度。”
此外，如何能够“看得深”是领域内的一大挑战。虽然 现有手段可检测到绿色荧光，但这种荧光不能穿透脑组织。因此，要想检测到深度脑区中的荧光信号，目前只能通过损伤性的方法得以实现。
在临床上已经应用的核磁及 CT 通过非损伤检测方法，可以看到整个大脑或者身体各个部位。但是这种检测手段的问题在于，其目前只能观察到结构，并不能看到神经化学分子的信号及其动态变化。
“因此，在‘看得见’的基础上，要继续实现‘看得多、看得准、看得深’，该领域前沿进展需要更多技术突破的驱动。”说。
图丨HEK293T 细胞中 GRAB OT1.0 荧光探针的表征（来源：Nature Biotechnology）
荧光探针的发展也离不开多学科的交叉融合，包括神经生物学、合成生物学、化学、光学和工程学等。如果需要大量数据采集和分析高时空分辨率的信号，还需要数理或者算法的科研经验。
表示，希望未来能借助深度学习、AlphaFold 等先进手段理解蛋白质结构，改变完全靠盲猜式筛选的方式，进而更快速、更有效地设计荧光探针实现“所需即所得”，实现检测灵敏度、时间分辨率或深度的提升。
回归母校北大组建独立课题组，将探索更多未知的科学问题
本科毕业于北京大学生物物理和生理学专业，之后他赴美国杜克大学神经生物学系进行博士阶段的学习，师从乔治·奥古斯丁（）教授，其研究方向为神经系统信号交流的基本机制。
随后，在斯坦福大学分子和细胞生理学系进行了 6 年的博士后研究工作，合作导师为（Richard Tsien）教授。
图丨从左往右依次为：王欢博士、博士研究生钱统瑞、 教 授（来源：该课题组）
2012 年，他回到母校北京大学成立独立课题组，以神经细胞间的信息传递为主要研究方向，并带领团队瞄准新技术，致力发展可遗传编码的荧光探针，帮助理解大脑复杂功能。
“北京大学的学生、博士后都很有闯劲，学校也为科研人员提供了有良好的科学研究氛围和有力的科研支持，让我们得以心无旁骛地进行科学研究。”他说。
2019 年，因在新型遗传编码荧光探针方面的突出成果，获得“科学探索奖”。他认为，要成为一名优秀的科研工作者，怎样去回答未知的科学问题是关键。面对不确定性，如何发现重要又有望在短期内被解决的关键问题充满挑战。
该工具由基因编码，也就是通过 DNA 或 RNA 转录和翻译变成荧光探针，在特定的细胞上表达，以达到精准特异的细胞靶向性。因此，该技术现阶段只能用在动物模型，由于伦理原因尚不能应用在人类。
表示：“我们在该领域迈出了‘第一步’，未来该技术如果想应用在人类，可采用避免基因编码特性的技术策略。因此，可能还需要新的物理或化学设计原理。”
参考资料：
1.Qian, T., Wang, H., Wang, P. et al. A genetically encoded sensor measures temporal oxytocin release from different neuronal compartments. Nature Biotechnology (2023). https://doi.org/10.1038/s41587-022-01561-2
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