去甲腎上腺素（Norepinephrine, NE）是中樞和外周神經系統中的一種至關重要的單胺類神經遞質。在大腦中，NE主要由藍斑（Locus coeruleus，LC）的神經元產生，NE能神經元廣泛投射到整個大腦，影響警覺性、覺醒狀態以及學習和記憶等過程。此外，NE還參與調節心率、血壓等自主功能，以及應對壓力的生理反應。在臨床上，NE的異常釋放與多種精神和神經性疾病的發展有關，如抑郁癥、注意力缺陷多動障礙（ADHD）和焦慮癥等。因此，在活體動物中以高靈敏度和高時空分辨率監測NE的動態變化對解析NE參與生理及病理過程的機制至關重要。盡管此前由李毓龍教授的研究團隊開發的第一代可遺傳編碼的NE探針首次實現了對NE的檢測，但其有限的靈敏度和信噪比使得在體應用存在諸多障礙。
2024年3月27日，北京大學李毓龍實驗室在Neuron雜志在線發表了題為Monitoring norepinephrine release in vivo using next-generation GRABNE sensors的研究論文。該研究基于GRAB探針策略（GPCR-Activation Based Sensor），成功優化了二代綠色熒光NE探針，并構建了一個新型的Cre依賴型雙熒光探針表達的轉基因小鼠品系，實現了在活體小鼠的多個腦區和多種行為范式下，同時且可靠地檢測NE和鈣信號。
第二代去甲腎上腺素熒光探針
通過改造G蛋白偶聯受體和循環重排的綠色熒光蛋白，優化的第二代NE熒光探針（包括中等親和力版本的GRABNE2m和高等親和力版本的GRABNE2h）在離體HEK細胞與原代神經元中表現出比第一代探針更高的靈敏度。令人振奮的是，在離體系統中對探針信號的優化成功地在活體檢測系統中得到證實，優化的第二代NE熒光探針在檢測由光遺傳學和行為學刺激觸發的藍斑和外側下丘腦（Lateral Hypothalamus，LH）中NE釋放時，顯示出高于一代NE探針5倍的熒光信號變化。此外，由于NE和另一種單胺類神經遞質多巴胺（Dopamine, DA）在結構上的差異僅為一個羥基，傳統的活體檢測方法通常難以區分它們。幸運的是，二代NE熒光探針對NE表現出較高的分子選擇性。研究表明，在小鼠體內，GRABNE2m可以檢測到光遺傳學刺激下神經元釋放的NE，而無法檢測到DA，進一步證明了該探針在精確檢測神經遞質動態方面的巨大潛力。
該研究不僅僅局限于探針的開發。研究團隊還構建了一種新型的Cre依賴型轉基因小鼠品系，能夠利用Cre-LoxP系統表達兩種熒光探針（綠色熒光GRABNE2m和紅色熒光鈣探針jRGECO1a）。結合標記不同細胞類型的Cre病毒或Cre轉基因鼠，這一工具鼠可實現雙色成像，同時且更為可靠地監測NE和鈣信號的動態變化，將有機會為不同生理狀態下的神經調控機制提供全新的見解。利用雙色光纖記錄和介觀大視場成像技術，研究團隊還揭示了在睡眠覺醒、感覺處理和運動過程中，活體小鼠中NE和鈣的細胞類型特異的時空動態。這項研究揭示了在不同生理狀態下，機體內具有多樣化的神經調控機制。
綜上所述，北京大學李毓龍教授課題組開發的第二代去甲腎上腺素熒光探針（GRABNE2m和GRABNE2h）憑借其高靈敏度和優異的選擇性，為在活體條件下對NE的監測提供了更加準確的工具。通過構建的新型Cre依賴型轉基因小鼠品系，實現了對NE和鈣信號的雙色成像與同步監測。李毓龍教授課題組的新成果為將來研究去甲腎上腺素神經調控及其對行為和神經障礙影響奠定了基礎。有了這些先進的工具，研究人員能夠更好地監測和解讀實時變化的神經遞質復雜活動，為我們理解大腦功能開辟了新的疆域。
北京大學生命科學學院馮杰思博士為本文第一作者，李毓龍教授和馮杰思博士為共同通訊作者，李毓龍課題組董輝博士（現為上海交通大學醫學院松江研究院青年研究員）、鄧飛博士（現為深圳灣實驗室分子生理學研究所博士后）、王歡博士、李國川、蔡儒儀等對文章做出了重要貢獻。該工作得到了紐約大學林大宇研究組、美國國立衛生研究院崔國紅研究組及清華大學自動化系謝浩博士、莊超瑋博士等的通力合作。