把前列腺素变成实时光信号，炎症与发作时的皮层有何不同？
研究构建基因编码荧光探针GRAB-PGE2-1.0，在清醒小鼠皮层中观察到全身性炎症与癫痫发作呈现出时空模式截然不同的前列腺素信号。
发热、疼痛、神经炎症乃至癫痫发作，背后都活跃着同一种脂质信号分子——前列腺素 E2（PGE2）。作为环氧合酶（COX）通路的核心产物，也是非甾体抗炎药间接调控的关键靶标，PGE2 在脑内究竟何时释放、从血管还是神经元率先扩散、又能持续多久？由于 PGE2 疏水性强且体内基准浓度极低，传统的脑组织匀浆质谱缺乏活体时间分辨率，而微透析采样往往需要 20 至 30 分钟的间隔，难以捕捉秒至分钟级的瞬态波动。2026 年 3 月 13 日在线发表于《Neuron》的一项研究中，北京大学李毓龙团队基于 G 蛋白偶联受体激活型（GRAB）策略，开发出首代基因编码前列腺素 E2 荧光探针 GRABPGE2-1.0（简称 PGE2-1.0），首次将活体大脑中的 PGE2 时空演变转化为直观的高分辨率光学画面。
基于人源 EP2 受体工程化改造的基因编码荧光探针 PGE2-1.0 具备纳摩尔级亲和力、亚秒级响应动力学与高底物特异性，且不激活下游 Gs 或 β-arrestin 信号；结合光纤记录与双色宽场成像，研究揭示急性全身性炎症在皮层微血管周围引发缓慢持久的 PGE2 升高，而癫痫发作则在前部皮层触发紧随神经元钙爆发的快速瞬态 PGE2 浪潮。
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近三千个突变体筛选：打造不干扰细胞信号的纳摩尔级“分子探照灯”
为了让脑内的 PGE2 分子“自己发光”，研究团队首先在人源四种 PGE2 受体（EP1–EP4）中筛选骨架，将构象敏感的循环重排绿色荧光蛋白（cpEGFP）嵌入人源 EP2 受体的第三胞内环（ICL3）。通过对插入位点、连接肽长度以及 cpEGFP 和连接区氨基酸残基开展三轮系统性突变筛选，团队从近 3,000 个候选变体中获得了表现最优的探针 PGE2-1.0，并进一步在配体结合口袋附近引入单点突变（T1132.54W），构建出对配体不敏感的阴性对照探针 PGE2mut。
在 HEK293T 细胞中，PGE2-1.0 能够精准定位到细胞膜表面，在 10 μM PGE2 刺激下产生约 1,100%（约 11 倍）的峰值荧光增强（ΔF/F0），半数有效浓度（EC50）约为 42 nM；而突变对照探针 PGE2mut 则几乎没有荧光变化。该响应可被选择性 EP2 受体拮抗剂 PF-04418948 完全阻断，且探针对结构相近的其他前列腺素（如 PGF2α、PGD2 和 PGI2）的亲和力低了数个数量级，对常见神经递质和其他脂质分子均无交叉反应。局部微量喷射实验显示其结合时间常数（τon）约 0.4 秒、解离时间常数（τoff）约 2.4 秒；同时，荧光素酶互补与 Tango 实验证实，外源表达的 PGE2-1.0 几乎不招募下游 Gs 蛋白或 β-arrestin，不会显著干扰宿主细胞的内源信号转导。
来源：Lei Wang et al. · Neuron · © 2026 Elsevier Inc.
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从培养神经元到海马脑片：稳定捕捉炎症因子与高兴奋性诱发的内源释放
将探针推进到神经系统环境中，研究团队首先在原代培养的大鼠皮层神经元中验证了 PGE2-1.0 的表现。胞体与突起膜表面均能清晰呈现绿色荧光，外源给予 PGE2 可诱发最高约 1,400% 的荧光增幅（EC50 约为 66 nM）。即便在 10 μM PGE2 中持续孵育长达 2 小时，神经元上的荧光信号依然保持稳定，未出现明显受体脱敏或内吞衰减，这为监测长达数小时的慢性或亚急性病理过程奠定了基础。
在通过腺相关病毒（AAV）感染的小鼠急性海马脑片 CA1 区，双光子成像同样确认了探针在脑组织中的高选择性。当向灌流液中加入促炎细胞因子白细胞介素-1β（IL-1β），或加入 GABAA 受体拮抗剂戊四氮（PTZ）诱发神经元网络过度兴奋时，CA1 始层（Or.）和辐射层（Rad.）的 PGE2-1.0 荧光均出现持续上升，而表达突变探针 PGE2mut 的对照脑片则保持平坦基线，证明探针能够灵敏读取脑组织在免疫刺激或网络高兴奋状态下的内源性 PGE2 释放。
来源：Lei Wang et al. · Neuron · © 2026 Elsevier Inc.
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从下丘脑视前区到全皮层视窗：直击炎症慢波与癫痫发作的秒级浪潮
下丘脑视前区（POA）中的正中视前核（MnPO）是调控炎症性体温反应的核心核团。研究团队在小鼠 MnPO 表达 PGE2-1.0 并植入光纤开展活体光度记录。腹腔注射脂多糖（LPS）诱发急性全身炎症后，MnPO 内的 PGE2-1.0 荧光信号在数十分钟内持续爬升，同时伴随实验条件下小鼠体表温度的下降；若预先给予环氧合酶抑制剂吲哚美辛（Indomethacin）阻断前列腺素合成，MnPO 内的荧光爬升与体温变化均被显著抑制，直接印证了深部脑区在体信号的分子特异性。
为了进一步观察大脑皮层层面的全景动态，团队在小鼠背侧皮层广泛表达 PGE2-1.0 并结合透明颅窗开展介观宽场成像。腹腔注射 IL-1β 后，皮层 PGE2 信号呈现出以小时为单位的缓慢抬升，在约 2 小时左右达到峰值后缓慢回落。与之形成鲜明对比的是，在红藻氨酸（KA）诱导的急性癫痫模型中，团队将绿色 PGE2-1.0 与红色钙探针 jRGECO1a 及脑电（EEG）同步记录：每一次脑电发作和皮层钙信号爆发之后，背侧皮层都会在数十秒内涌起一阵剧烈的 PGE2 浪潮（上升半衰期约 58 秒，衰减半衰期约 560 秒），比钙信号本身更持久，却比全身炎症反应快了数十倍。
来源：Lei Wang et al. · Neuron · © 2026 Elsevier Inc.
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微血管边缘还是前部运动皮层？两种病理状态暴露出不同的前列腺素来源
除了时间尺度上“慢小时波”与“快分钟浪”的悬殊差异（炎症模型上升 t50 约 54 分钟、衰减 t50 约 46 分钟；癫痫模型上升 t50 约 0.9 分钟、衰减 t50 约 10 分钟），宽场成像还揭示了两种模型在皮层空间分布上的根本分歧。在 IL-1β 诱导的全身炎症中，PGE2 信号主要富集在皮层外侧与后部边缘区域；将荧光响应峰值与邻近脑血管直径进行空间配准后可以发现，炎症诱发的 PGE2 增幅与血管管径呈显著负相关（单视野 R2 = 0.75，动物个体均值 R2 = 0.7），即越靠近管径细小的微血管末梢和分叉处，PGE2 升高越显著。
而在红藻氨酸诱导的癫痫发作中，PGE2 的空间高点却集中在次级和初级运动皮层（MOs/MOp）等前部脑区，且荧光增幅与邻近血管管径之间几乎不存在相关性（单视野 R2 = 0.023，动物个体均值 R2 = 0.16）。这一空间拓扑差异提示，全身性免疫挑战下的脑内 PGE2 很可能主要源自脑微血管内皮细胞的合成与释放，而癫痫发作时的急性 PGE2 爆发则更可能由过度活跃的神经元或局部实质细胞直接驱动。
来源：Lei Wang et al. · Neuron · © 2026 Elsevier Inc.
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为神经免疫与脑疾病研究提供高时空分辨率工具，同时厘清光学与机制边界
通过将前列腺素 E2 的跨尺度动态可视化，PGE2-1.0 不仅填补了脂质信号活体实时成像的工具空白，也直接展示了同一信号分子在不同病理状态下如何遵循截然不同的时空逻辑。值得留意的是，癫痫发作后数秒即出现的快速 PGE2 浪潮远早于传统诱导型 COX-2 转录上调所需的时间，其上游究竟依赖小胶质细胞组成型表达的 COX-1，还是皮层与海马特定神经元中受活动直接调控的基底 COX-2，仍有待后续结合细胞特异性基因敲除加以拆解。
作者也在讨论中指出，作为基于荧光蛋白的光学探针，PGE2-1.0 在剧烈病理发作期间同样受制于脑血流动力学变化带来的光学干扰。例如在癫痫发作的脑电棘波期间，荧光轨迹会出现短暂的小幅下陷，这很可能源于发作期脑血容量急剧增加与血管扩张引起的光吸收及散射伪影。在活体实验中结合配体不敏感突变体 PGE2mut 或多波长同步校正，将有助于在复杂病理场景下更精确地解析前列腺素信号网络。