近日，國際學術期刊《eLife》在線發表題為“Chronic Ca2+imaging of cortical neurons with long-term expression of GCaMP-X”的研究論文。該工作由北京航空航天大學生物醫學工程高精尖創新中心劉曉冬教授課題組聯合樊瑜波教授團隊與合作者共同完成。鈣動態的長期監測對于神經科學等領域意義重大，但在實際應用中，由于常用基因編碼鈣離子熒光探針GCaMP具有細胞毒性而受到多方面的限制。基于劉曉冬課題組此前自主設計開發的改進版鈣探針GCaMP-X（Nature Communications 2018,DOI:10.1038/s41467-018-03719-6），此項工作進一步展示了GCaMP-X優于GCaMP的神經元相容性，實現了離體培養神經元（共聚焦）和活體小鼠大腦皮層（雙光子）的長時程GCaMP-X成像，定量揭示了自發鈣振蕩與神經元形態發育的緊密關聯，為神經科學及相關領域的長期鈣成像提供了簡便而有效的新方案。
在皮層神經元中，自發性鈣振蕩（主要來源為L型鈣通道的鈣離子內流）調控神經元突起的生長，稱為通道鈣動態-神經元發育耦聯（Communications Biology 2022,DOI:10.1038/s42003-022-03438-1）。GCaMP與L型鈣通道意外結合進而干擾上述耦聯，長期（高）表達GCaMP最終造成了神經元明顯的損傷。本工作聚焦于自發鈣振蕩與神經元形態之間的關聯，遵循本實驗室此前GCaMP-X探針的“理性設計”原則，利用“分子內保護片段”克服了傳統GCaMP的弊端，實現了長時程GCaMP-X在體/離體成像。首先，利用病毒導入和藥物誘導轉基因表達，GCaMP-X長期表達（4周）于皮層神經元，揭示出局部自發鈣活動會隨新生神經元發育成熟的過程逐步發展成為全局同步鈣振蕩；長期表達GCaMP-X的神經元與對照組健康神經元無統計學差異，據此對發育全程的振蕩幅值、頻率及突起生長速率等關鍵指標進行了定量分析，為相關研究領域提供了基礎性的信息。與以上離體數據一致，活體成像獲得的自發鈣波及觸須鈣響應數據也支持GCaMP-X在神經元相容性等方面優于傳統鈣探針。
附圖.基于GCaMP-X長時程鈣成像定量分析鈣通道活動-神經元突起生長耦聯
北京航空航天大學為本論文的第一完成單位。本論文的共同第一作者為北京航空航天大學博士生耿金麗、清華大學（已畢業）博士生湯穎君、北京航空航天大學博士生于振，劉曉冬組已畢業碩士生高蘊溟和黎文祥也對本項研究做出了重要貢獻。本文的通訊作者是劉曉冬教授（北航）、郭增才研究員（清華）及楊亞雄副教授（北航樊瑜波教授團隊）。本研究得到了國家自然科學基金、北京市自然科學基金及北京市生物醫學工程高精尖創新中心的支持。