把传感细胞带进探头，追踪动物体内化学信号
FOPEC把工程细胞的荧光识别与光纤读出结合，无需让受试动物事先表达传感器。研究展示了脑内去甲肾上腺素、多巴胺和ATP动态，以及兔血管中的药物相关响应。
如果把能识别化学分子的细胞装进探头，是否可以在不同动物体内直接读出信号？2023年6月2日发表于 Science Advances 的研究提出FOPEC：把工程细胞作为感知单元，由光纤收集荧光变化。它将传感器准备放在体外完成，使受试动物不必等待自身细胞表达传感器，随后在脑内和流动血液中展示了不同神经化学信号的检测能力。
这类光纤细胞探头可区分结构相近的去甲肾上腺素与多巴胺，并在多种动物测试中检测化学响应。自由活动小鼠应激信号可重复记录至第7天，但幅度随时间减弱，显示细胞型探头的工作寿命同样重要。
阅读目录 · 7个部分
感知单元在探头里，信号由光纤带出
观察神经化学动态，既要知道信号变了多少，也要知道是哪一种分子。FOPEC将表达GRAB荧光传感器的工程细胞放在探头感知端。周围小分子进入感知环境后，与细胞表面的传感器相遇，引出绿色荧光变化，光纤则负责把光学信号传出。
探头还保留一条不随目标分子明显变化的红色参考信号。两路读出帮助研究者观察目标响应与共同波动的关系。受试动物无需事先在自身脑细胞中表达传感器，化学识别来自探头携带的细胞。
来源：Zhou B et al. · Science advances · CC BY-NC
查看原图与英文图注 ↗
相近的单胺，也能产生不同响应
体外测试中，去甲肾上腺素（NE）敏感探头在遇到NE时绿色信号明显增强，参考红光变化很小。改变NE浓度，响应也随之变化；受体拮抗剂则能使信号下降，支持荧光变化来自相应识别过程。
与多巴胺等其他分子的比较显示，NE探头能够保持较强选择性。研究也展示了多巴胺和ATP敏感版本。由此，细胞表面的识别组件决定探头关注哪种化学信号，而光纤可以沿用相近的读出思路。
来源：Zhou B et al. · Science advances · CC BY-NC
查看原图与英文图注 ↗
分子进入感知区，需要扩散时间
这种探头的时间响应由分子进入感知区的过程影响。较短感知区的体外测试中，NE上升响应约为15至17秒；加入拮抗剂后，下降时间约为53秒。感知区尺寸改变时，信号强度与响应时间也会一起变化。
较大的感知区域可以提供更多荧光，却也让分子扩散需要更久。这种权衡使FOPEC适合跟随应激或药物引起的较缓慢化学动态。信号可读性与反应速度在同一个细胞探头中彼此牵动。
来源：Zhou B et al. · Science advances · CC BY-NC
查看原图与英文图注 ↗
化学响应可重复，幅度却随天数减弱
在自由活动小鼠中，游泳应激期间，下丘脑外侧区的NE相关信号升高，离开水后下降。同一次测试中的多轮变化可以重复出现；在第3、5和7天，探头仍能记录到相似方向的动态。
不过，后续天数的幅度低于首日。探头内细胞存活状态也随时间变差，使工作寿命成为实际能力的一部分。研究还比较了外侧下丘脑与室旁核，两处应激响应幅度的差异未达显著。
来源：Zhou B et al. · Science advances · CC BY-NC
查看原图与英文图注 ↗
从多巴胺上升到癫痫相关ATP变化
左旋多巴处理后，小鼠海马CA1的多巴胺探头信号逐渐升高，约40分钟达到峰值，盐水对照没有出现相同变化。它展示了追踪药物相关化学过程的能力，读出的时间曲线还可以与其他检测技术取得的结果相比较。
ATP敏感探头则在诱导癫痫发作的小鼠中检测到持续升高，脑电记录同时支持发作发生。这里ATP信号与病理过程相伴，为观察细胞外化学环境提供读出，信号本身尚未说明哪类细胞贡献了这些ATP。
来源：Zhou B et al. · Science advances · CC BY-NC
查看原图与英文图注 ↗
脑内之外，流动血液中也能检测响应
在大鼠下丘脑，研究记录了药物处理后的NE信号升高；在兔耳静脉，多巴胺敏感探头也检测到左旋多巴后的信号增加。这一外周血液读出，把应用场景从脑组织延伸到了血管内环境。
鸡脑中的测试则针对外源给予NE后的响应。几种动物共同展示了平台可迁移的可能性，但各自完成的任务不同：小鼠有行为与病理动态，大鼠和兔展示药物响应，鸡提供特定条件下的感知验证。
把准备移到体外，也带来新的维护问题
FOPEC把化学识别与宿主细胞分开，为不便事先表达传感器的动物和部位增加了选择。它的性能也取决于工程细胞能存活多久、周围分子扩散多快，以及硬质探头与软组织如何相处。
研究在特定免疫管理条件下观察了一周的组织反应，未见显著炎症差异；跨天信号衰减则已经提示细胞维护的重要性。这项工作的推进在于展示了一种可移植的化学读出方式，其长期记录能力仍需要随探头材料和细胞稳定性一同改进。