uutiset

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Äskettäin Kalifornian yliopistosta Davisista tohtorintutkinnon suorittanut Dong Chunyang, joka tällä hetkellä harjoittaa tohtorintutkintoa Stanfordin yliopistossa, kehitti yhdessä uuden geneettisesti koodatun fluoresoivan koettimen, joka tarjoaa innovatiivisen työkalun neuropeptididynamiikan tutkimukseen.

Kuva |. Dong Chunyang (Lähde: Dong Chunyang)

Raporttien mukaanTämän tutkimuksen ydinajatuksena on sulauttaa fluoresoivia proteiineja opioidireseptoreihin ja heijastaa opioidipeptidien sitoutumisprosessia reaaliajassa reseptorin konformaatiomuutosten aiheuttamien fluoresenssisignaalien muutosten kautta.

Tänä aikana Dong Chunyang ja muut suunnittelivat vastaavat fluoresoivat koettimet κLight, δLight ja μLight kolmelle pääopioidireseptorin alatyypille - κ-reseptorille, δ-reseptorille ja μ-reseptorille.

Tällä tavalla ei vain voida erottaa erityyppisiä opioidipeptidejä, vaan signaalin havaitseminen korkealla spatiotemporaalisella resoluutiolla voidaan saavuttaa yksittäisen solun tasolla.

(Lähde: Nature Neuroscience)

Kehittämällä ja soveltamalla uusia fluoresoivia koettimia, tämä tutkimus pyrkii syvällisesti tutkimaan opioidipeptidijärjestelmän toimintoja ja säätelymekanismeja useilta tasoilta.

Tämä ei ainoastaan ​​auta ihmisiä ymmärtämään opioidijärjestelmän roolia tunne- ja motivaatiokäyttäytymisessä, vaan se voi myös tarjota uusia oivalluksia siihen liittyvien mielenterveyssairauksien ymmärtämiseen ja hoitoon.

Tutkimalla reseptori-ligandivuorovaikutuksia molekyylitasolla, signalointia solu- ja piiritasolla ja toiminnallista säätelyä yleisellä käyttäytymistasolla, tämän saavutuksen odotetaan tuovan vallankumouksellista edistystä opioidijärjestelmän tutkimukseen.

Se ottaa tärkeän askeleen kohti endogeenisen opioidijärjestelmän parempaa ymmärtämistä ja tarjoaa arvokkaan uuden työkalun opioidipeptidijärjestelmän tutkimukseen.

Endogeenisten ja synteettisten opioidien koettimet ovat loistava lisä nykyiseen neurotieteen "työkalupakettiin" ja voivat johtaa opioidisignaloinnin parempaan spatiotemporaaliseen näytteenottoon.

Tämä ei ainoastaan ​​edistä neurotieteen perustutkimuksen kehittämistä, vaan avaa myös uusia mahdollisuuksia kliinisille sovelluksille, kuten kivun hallintaan ja riippuvuuden hoitoon.

(Lähde: Nature Neuroscience)

Aloitetaan opioidineuropeptidien "tilasta".

Raporttien mukaan neurotieteen alalla opioidineuropeptidijärjestelmällä on ydinasema.

Keskeisenä neuromodulatorisena aineena opioidipeptideillä on korvaamaton rooli useiden fysiologisten ja patologisten prosessien, kuten kivun havaitsemisen, palkitsemiskäyttäytymisen, tunnereaktion ja riippuvuuden säätelyssä.

Endogeenisen opioidipeptidijärjestelmän syvällistä tutkimusta on kuitenkin rajoitettu teknisin keinoin pitkään.

Vaikka perinteiset tutkimusmenetelmät, kuten immunohistokemia ja radioligandin sitoutumiskokeet, voivat tarjota staattista opioidipeptidien jakautumista koskevaa tietoa, niillä on vaikea vangita opioidipeptidien dynaamista vapautumisprosessia ja hienoa spatiotemporaalista jakautumismallia elävässä hermostossa.

Erityisesti tutkittaessa opioidipeptidien toimintaa tietyissä hermopiireissä ja opioidipeptidien vapautumisen dynaamisia muutoksia monimutkaisissa käyttäytymistiloissa, olemassa olevat tekniikat ovat usein riittämättömiä.

Murtautuakseen edellä mainituista pullonkauloista Dong Chunyang ja hänen työtoverinsa kehittivät tämän opioidireseptorin fluoresoivan koetinstrategian, joka perustuu geneettiseen koodaukseen.

Aiemmin Dong Chunyangin tohtoriohjaaja oli kehittänyt kalsiumioni-anturin GCaMP3, joka voi käyttää fluoresenssia aivohermotoiminnan analysointiin useissa lajeissa, mikä on tärkeä panos hermotoiminnan havaitsemiseen korkealla tila- ja aikaresoluutiolla.

Se loi myös tietyn pohjan kalsiumionikoettimien optimoinnille. Tällä hetkellä GCaMP-sarjan kalsiumionikoettimia on käytetty laajasti neurotieteen alalla.

Ohjaaja Dong Chunyangin edellä mainitut saavutukset loivat perustan uusien välittäjäaineanturien kehittämiselle.

Mentorinsa ohjauksessa Dong Chunyang on osallistunut punasiirtyneiden dopamiinikoettimien tutkimukseen viime vuosina ja kehittänyt kaksi serotoniinikoetinta ja useita muita neuropeptidikoettimia.

Samaan aikaan Dong Chunyang teki myös yhteistyötä Pekingin yliopiston professori Li Yulongin tiimin kanssa julkaistakseen katsauksen välittäjäaineluottimien kehittämisestä ja soveltamisesta. Nämä kokemukset antoivat hänelle oivalluksia monimutkaisempien opioidipeptidikoettimien tutkimiseen.

Tällä perusteella Dong Chunyang tajusi, että opioidipeptidikoettimien kehittäminen kohtasi suurempia haasteita kuin aiemmin kehitetyt välittäjäainekoettimet.

Opioidipeptidijärjestelmän monimutkaisuus, joka sisältää useita endogeenisiä opioidipeptidejä ja useita reseptorialatyyppejä, tekee erityisen vaikeaksi kehittää erittäin spesifisiä koettimia.

Ja toisin kuin muut koettimet, opioidipeptidikoettimien kehittämiseen ei ole olemassa valmista kaavaa. Tämä tarkoittaa, että jokainen anturin variantti on suunniteltava erikseen ja tarkistettava yksitellen, mikä lisää huomattavasti työmäärää ja monimutkaisuutta.

On esimerkiksi välttämätöntä löytää optimaalinen fluoresoivan proteiinin insertiokohta ja kytkentäsekvenssi samalla kun säilytetään reseptorin toiminta. Tänä aikana tehtiin paljon molekyylibiologian työtä, mukaan lukien satojen eri varianttien suunnittelu, rakentaminen ja seulonta.

In vitro -karakterisointivaiheen aikana jokainen koetinvariantti on arvioitava huolellisesti sen vasteen suhteen erilaisille opioidipeptideille ja reseptorialatyypeille. Sisältää koettimen dynaamisen alueen, herkkyyden, selektiivisyyden ja reaktiokinetiikan yksityiskohtaisen määrityksen.

Dong Chunyang ja muut seuloivat useiden in vitro -karakterisointikokeiden avulla variantteja, joilla oli suurempi dynaaminen alue, suurempi herkkyys ja spesifisyys.

Myöhemmin he suorittivat varmistustyön koettimen spesifisyyden ympärillä ja käyttivät BLA-NAc-piirin optogeneettistä stimulaatiota kokeissa dynorfiinipoistohiirten ja villityypin hiirten välillä todistaakseen κLightin spesifisyyden dynorfiinin sukupuolen suhteen.

Tämä ei ainoastaan ​​takaa, että koetin voi silti säilyttää spesifisyyden ja herkkyyden monimutkaisissa hermoympäristöissä, vaan varmistaa myös anturin luotettavuuden, kun käyttäjät käyttävät sitä fysiologisissa olosuhteissa.

(Lähde: Nature Neuroscience)

Lukemattomia toistoja, epäonnistumisia, optimointeja ja toistoja

Dong Chunyang sanoi, että yksi tämän tutkimuksen tavoitteista on karakterisoida kattavasti näiden uusien koettimien farmakologiset ominaisuudet in vitro ja eristetyissä aivoviipaleissa.

Tämä sisältää koettimien affiniteetin, selektiivisyyden ja kineettisten ominaisuuksien määrittämisen eri endogeenisille ja synteettisille opioidipeptideille.

Verrattuaan niitä perinteisiin radioligandin sitoutumiskokeisiin he toivovat voivansa varmistaa, heijastavatko nämä koettimet tarkasti opioidipeptidien vuorovaikutusta reseptorien kanssa.

Samalla on myös tarpeen arvioida, vaikuttaako koettimen ilmentyminen endogeenisten opioidireseptorien normaaliin toimintaan sen käyttöarvon varmistamiseksi fysiologisissa olosuhteissa.

Tämän tutkimuksen toinen tavoite on käyttää näitä koettimia opioidipeptidien diffuusio-ominaisuuksien tutkimiseen aivokudoksessa.

Aikaisemmin uskottiin, että opioidipeptidit toimivat ensisijaisesti volyymikuljetuksen kautta. Suoraa näyttöä leviämisen tietystä laajuudesta ja nopeudesta ei kuitenkaan vielä ole.

Tätä tarkoitusta varten tutkimusryhmä suunnitteli nerokkaan fotolyysikokeen, jolla seurataan samanaikaisesti fluoresenssisignaalien muutoksia vapauttamalla valoherkkiä opioidipeptidiprekursoreita, jolloin saavutettiin ensimmäistä kertaa reaaliaikainen havainto ja kvantitatiivinen analyysi opioidipeptidien diffuusioprosessista.

Tämän kokeilun kauttaNe eivät ainoastaan ​​paljastaneet opioidipeptidien diffuusiovakiota, vaan tarjosivat myös tärkeän perustan opioidipeptidisignaalien avaruudellisen laajuuden ymmärtämiselle.

Tämän tutkimuksen kolmas tavoite oli määrittää optimaaliset sähköstimulaatioparametrit, jotka laukaisevat endogeenisten opioidipeptidien vapautumisen, mikä on kriittistä opioidipeptidien toiminnan tutkimiselle in vivo.

Säätämällä systemaattisesti stimulaation intensiteettiä, stimulaatiotaajuutta ja stimulaation kestoa aivoviipaleissa sekä tarkkailemalla fluoresoivien koettimien vastetta, tiimi toivoo löytävänsä tehokkaimman stimulaatiotilan, mikä luo tietyn pohjan elektrofysiologisille kokeille ja optogeneettisille kokeille.

Elävissä eläinkokeissa he yhdistivät nämä fluoresoivat koettimet optogeneettisiin tekniikoihin tutkiakseen opioidipeptidien vapautumisen dynamiikkaa tietyissä hermopiireissä.

Esimerkiksi ekspressoimalla κLight-koetinta nucleus accumbensissa ja valoherkkää ionikanavaa amygdalassa, spesifisten projektioiden aktivaatiota voidaan hallita tarkasti ja tuloksena olevaa endogeenistä dynorfiinin vapautumista voidaan tarkkailla reaaliajassa.

Tämän lähestymistavan etuna on, että se ei ainoastaan ​​tarjoa ennennäkemätöntä ajallista ja spatiaalista erottelukykyä, vaan paljastaa myös opioidipeptidien vapautumisen spatiaalisen spesifisyyden.

Lisäksi tutkimusryhmä suoritti myös seuraavia tutkimuksia: opioidipeptidien vapautumisen dynaamisten muutosten tutkiminen monimutkaisissa käyttäytymistiloissa, kuten pelon eheyttämisen ja palkitsemisen aikana.

Suorittamalla valokuitufotometriaa vapaasti liikkuville eläimille, Dong Chunyang ja muut käyttivät koettimia siepatakseen muutoksia opioidipeptidisignaaleissa, jotka liittyvät tiettyyn käyttäytymiseen.

Hän muistaa edelleen ensimmäisen kerran, kun hän onnistui vangitsemaan endogeenisen opioidipeptidin vapautumisen hetken elävissä hiirissä. "Vietimme useita vuosia koettimen optimointiin ja lopulta vahvistimme muunnelman in vitro, jota odotetaan onnistuneesti käytettävän in vivo", hän sanoi.

Erityisesti he pakkasivat κLight-plasmidin adeno-assosioituneeseen virukseen tutustuttuaan hiiren aivoalueen koordinaatteihin, he aloittivat viruksen intrakraniaalisen injektion ja odottivat sitten koettimen ilmentymistä hiiren aivoissa.

"Lukemattomien toistojen, epäonnistumisten, optimoinnin ja toistojen jälkeen, kun näin κLight-sondin valoa tallentavan tietokoneen näytöllä, kun pelkoa säätelevä stimulaatio eteni, kirkkaat signaalihuiput alkoivat ilmestyä yksi toisensa jälkeen, mikä liikutti minua todella "Dong Chunyang sanoi.

Tieteellinen rationaalisuus kuitenkin veti hänet nopeasti takaisin, ja hänen täytyi todistaa, että hänen näkemänsä oli κLightin havaitsema dynorfiinin signaali, ei muiden esineiden.

Todistettuaan yllä olevan ilmiön toistettavuuden useiden hiirten avulla, tutkimusryhmä suunnitteli erilaisia ​​kokeita, erityisesti optogeneettisiä kokeita dynorfiinin knockout-hiirillä, todistaakseen, että dynorfiinin ja saman stimulaation puuttuessa tutkimusryhmä Neulasta ei näy signaalia, osoittaen siten anturin tarkkuuden ja spesifisyyden.

Lopulta, kun jokainen koe osoitti tulokseen, jolla oli vahva spesifisyys ja korkea signaali-kohinasuhde, jokainen päästi lopulta irti jännityksestään.

(Lähde: Nature Neuroscience)

Lopuksi aiheeseen liittyvä artikkeli julkaistiin Nature Neurosciencessa (IF 21.2) otsikolla "Opioidineuropeptididynamiikan vapauttaminen geneettisesti koodatuilla biosensoreilla".

Kuva | Aiheeseen liittyvät paperit (Lähde: Nature Neuroscience)

Dong Chunyang ja Raajaram Gowrishankar Washingtonin yliopistosta ovat kirjoittajia.

Professori Michael R. Bruchas Washingtonin yliopistosta, professori Matthew R. Banghart Kalifornian yliopistosta San Diegosta ja professori Tian Lin Max Planck Florida Neuroscience Institutesta Toimivat rinnakkaiskirjoittajina.

Tällä saavutuksella Dong Chunyang voitti National Institutes of Healthin myöntämän Toni Shippenberg Young Investigator Award -palkinnon.

Mitä tulee sovellusmahdollisuuksiin:

Ensinnäkin sitä voidaan käyttää neurotieteen perustutkimuksessa.

Tällä kertaa luodun opioidireseptorin fluoresoivan koettimen avulla ihmiset voivat tarkemmin tarkkailla ja mitata opioidipeptidien dynaamisia muutoksia hermostossa, mikä auttaa paljastamaan opioidijärjestelmän erityistä roolia erilaisissa hermoprosesseissa, kuten paljastamaan opioidipeptidien roolin. oppiminen, muistivaikutus, tunteiden säätelyvaikutus jne.

Toiseksi sitä voidaan käyttää kipututkimukseen.

Kivun modulaatiossa opioidijärjestelmällä on avainrooli. Siksi tätä koetinta odotetaan käytettävän opioidipeptidien vapautumismallien tutkimiseen akuuteissa kiputiloissa ja kroonisissa kiputiloissa, mikä auttaa kehittämään tehokkaampia kivunhallintastrategioita.

Kolmanneksi sitä voidaan käyttää riippuvuusmekanismien tutkimiseen.

Seuraamalla opioidipeptidien aktiivisuutta palkitsemispiireissä reaaliajassa voimme ehkä ymmärtää paremmin huumeriippuvuuden neurobiologista perustaa ja antaa vihjeitä uusien hoitomuotojen kehittämiseen.

Neljänneksi sitä voidaan käyttää lääkekehitykseen ja lääkeseulomiseen.

Toisin sanoen tätä koetinta voidaan käyttää korkean suorituskyvyn seulonnassa uusien opioidireseptorin modulaattoreiden tunnistamiseksi, mikä auttaa kehittämään turvallisempia ja tehokkaampia analgeettisia lääkkeitä.

Viidenneksi sitä voidaan käyttää mielialahäiriöiden tutkimuksessa.

Opioidijärjestelmän ja tunteiden säätelyn välisen läheisen suhteen vuoksi tätä koetinta odotetaan käytettävän masennuksen, ahdistuneisuuden ja muiden mielialahäiriöiden hermomekanismien tutkimiseen.

Kuudenneksi sitä voidaan käyttää neuroimaging-sovelluksiin.

Kun näitä koettimia muutetaan, niitä odotetaan käytettävän ei-invasiivisissa aivojen kuvantamistekniikoissa opioidijärjestelmän toiminnan tarkkailemiseksi ihmisen aivoissa.

Seitsemänneksi sitä voidaan käyttää neuromodulaatioteknologian kehittämiseen.

Yhdessä optogenetiikan tai kemiallisen genetiikan kanssa näiden koettimien odotetaan auttavan kehittämään tarkempia neuromodulaatiotekniikoita opioidijärjestelmään liittyvien sairauksien hoitoon.

Kahdeksanneksi sitä voidaan käyttää käyttäytymishermotieteen tutkimuksessa.

Toisin sanoen sitä käytetään opioidijärjestelmän roolin tutkimiseen edistyneissä kognitiivisissa toiminnoissa, kuten monimutkaisessa sosiaalisessa käyttäytymisessä ja päätöksenteossa.

Yhdeksän, sitä voidaan käyttää huumeiden väärinkäytön ehkäisyyn.

Opioidijärjestelmän toiminnan syvemmälle ymmärtäminen voisi auttaa kehittämään tehokkaampia huumeiden väärinkäytön ehkäisystrategioita ja koulutusmenetelmiä.

Kymmenenneksi sitä voidaan käyttää henkilökohtaiseen lääketieteeseen.

Tutkimalla eroja opioidijärjestelmän vasteissa eri yksilöillä eläinmalleissa, se voi tarjota teoreettisen perustan yksilölliselle kivunhoidolle ja riippuvuuden hallintaan.

Yhdessä näiden mahdollisten sovellusten odotetaan edistävän neurotieteen perustutkimusta, mutta niillä voi myös olla merkittävä vaikutus kliiniseen lääketieteeseen, lääkekehitykseen ja kansanterveyspolitiikkaan.

Perustutkimuksesta käytännön sovelluksiin siirtyminen vaatii tietysti useiden vuosien tutkimusta ja todentamista.

Ja jatkossa:

Ensinnäkin olemassa olevien koettimien suorituskykyä parannetaan.

Toisin sanoen olemassa olevien neuropeptidikoettimien spesifisyyden, herkkyyden, dynaamisen alueen ja kineettisten ominaisuuksien parantaminen.

Tämä voi sisältää monimutkaisempia proteiinien muokkausstrategioita, kuten tekoälyn avustuksella suunnattua evoluutiota, rationaalista suunnittelua, jota ohjaa rakennebiologia, jne.

Toiseksi kehitetään fluoresoivia koettimia, jotka kohdistuvat enemmän neuropeptideihin.

Toisin sanoen olemassa olevan kokemuksen laajentaminen muihin neuropeptidijärjestelmiin, välittäjäaineisiin ja neuromodulaattoreihin.

Kolmanneksi yhdistä olemassa olevat anturit muihin kuvantamistekniikoihin.

Esimerkiksi neuropeptidikoettimien yhdistämisen superresoluutiomikroskoopin tai miniatyrisoidun kaksifotonimikroskoopin kanssa odotetaan mahdollistavan ihmisten havainnoida neuropeptidien vapautumisdynamiikkaa solunsisäisellä tasolla tai vapaasti liikkuvissa eläimissä.

Samalla monivärikuvaustekniikan avulla ihmiset voivat pystyä havainnoimaan useiden neuropeptidien tai välittäjäaineiden dynamiikkaa samanaikaisesti ja paljastamaan niiden väliset vuorovaikutukset.

Lopuksi, näiden koettimien soveltaminen ei rajoitu perustutkimukseen, vaan niillä on myös potentiaalia ulottua lääkekehityksen alalle, toisin sanoen kehittää tehokkaita seulontaalustoja uusien neuropsykiatristen lääkkeiden löytämiseksi.

Neuropeptidikoettimien osalta se jatkaa myös neurotieteen tutkimuksen kehittämistä kohti korkeampaa spatiotemporaalista erottelukykyä, laajempaa molekyylien monimuotoisuutta ja monimutkaisempia käyttäytymisparadigmoja, mikä tukee aivojen toiminnan ymmärtämistä ja uusien hoitostrategioiden kehittämistä.

Viitteet:

1. Dong, C., Gowrishankar, R., Jin, Y. et ai. Opioidin neuropeptididynamiikan avaaminen geneettisesti koodatuilla biosensoreilla. Nat Neurosci (2024). https://doi.org/10.1038/s41593-024-01697-1

Operaatio/ladonta: He Chenlong

01/

02/

03/

04/

05/