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《Chemistry & Biology》報道一種新型分子影像學(xué)方法

日期:2014-03-27 08:51:46

 

醫(yī)生通常使用核磁共振成像(MRI)來自診斷腫瘤、中風(fēng)損傷和其他許多疾病。神經(jīng)科學(xué)家也依賴它作為研究工具,識別執(zhí)行不同認(rèn)知功能的大腦區(qū)域。另外,磁共振可視納米基因載體研究獲進(jìn)展。

 

目前,麻省理工學(xué)院(MIT)的生物工程學(xué)家嘗試在更小尺度上使用MRI,將活體動物大腦內(nèi)的基因活動可視化。本研究的指導(dǎo)者、MIT生物工程副教授Alan Jasanoff指出,利用MRI跟蹤這些基因,將使科學(xué)家們對“基因如何控制形成記憶和學(xué)習(xí)新技”能這樣的過程,有更多的了解。

 

Jasanoff也是MIT麥戈文大腦研究所的會員,他說:“分子影像學(xué)的夢想是,在分子水平上提供完整生物體的生物學(xué)信息。我們的目標(biāo)是無須切開大腦,但是能真正看到里面正在發(fā)生的事情。”

 

為了實現(xiàn)這一目標(biāo),Jasanoff和同事們開發(fā)了一種新方法,能夠?qū)⒁粋€“報告基因”影像化,這個人造基因可打開或關(guān)閉體內(nèi)的信號事件,很像是一輛汽車儀表板上的指示燈。在這項新研究中,該報告基因編碼一種酶,可與注入大腦的造影劑相互作用,使造影劑可被MRI檢測。在20143月份的Cell系列國際著名期刊《Chemistry & Biology》發(fā)表的一篇論文,詳細(xì)描述了這種方法,可讓研究人員能夠確定該報告基因在何時何地被打開。

 

一個開/關(guān)開關(guān)

 

MRI使用可與體內(nèi)質(zhì)子相互作用的磁場和無線電波,產(chǎn)生體內(nèi)的詳細(xì)圖像。在大腦研究中,神經(jīng)學(xué)家們通常使用功能MRI來測量血液流動,揭示出大腦執(zhí)行特定任務(wù)期間哪一部分處于活躍狀態(tài)。在掃描其他器官時,醫(yī)生有時候會使用磁性“造影劑”,來提高某些組織的可見度。

 

MIT這種新方法包括一種稱為錳卟啉的造影劑和新的報告基因,這個基因編碼一種基因工程酶,可改變造影劑上的電荷。Jasanoff及其同事對造影劑進(jìn)行設(shè)計,使其易溶于水,易排出體外,難以被MRI檢測。然而,當(dāng)工程酶(稱為SEAP)從錳卟啉上切割磷酸分子時,造影劑變得難溶,并開始在腦組織中積累,使其被檢測到。

 

研究人員曾在胎盤中發(fā)現(xiàn)SEAP的自然版本,但是在其他組織中卻沒有。通過將攜帶SEAP基因的病毒注入小鼠腦細(xì)胞內(nèi),研究人員能夠?qū)⑦@個基因并入自身基因組。然后,腦細(xì)胞開始生產(chǎn)SEAP蛋白,它由細(xì)胞分泌并錨定在外表面。Jasanoff稱,這非常的重要,因為這表示造影劑不需要穿透細(xì)胞就能與酶相互作用。

 

然后,研究人員注入MRI造影劑,造影劑擴(kuò)散至大腦,但是僅積累在生產(chǎn)SEAP蛋白的細(xì)胞附近,這樣就可以查明SEAP在哪里是活躍的。

 

探索大腦功能

 

這項研究的目的是檢測這種方法,檢測系統(tǒng)僅僅揭示出SEAP 基因是否已經(jīng)被成功并入腦細(xì)胞。然而,在未來的研究中,研究人員打算設(shè)計SEAP基因,使其只在一個特定目的基因打開時才處于活躍狀態(tài)。

 

Jasanoff第一個計劃是,將SEAP基因與所謂的“早期直接基因”聯(lián)系起來,后者對于大腦可塑性——神經(jīng)元之間的聯(lián)系減弱或增強(qiáng),對于學(xué)習(xí)和記憶至關(guān)重要——必不可少。

 

Jasanoff稱:“作為對大腦功能感興趣的人,我們最想解決的問題是,大腦功能如何改變大腦內(nèi)基因表達(dá)的模式。我們也會想象,在報告酶與神經(jīng)遞質(zhì)結(jié)合時打開和關(guān)閉這種酶,這樣我們也可以檢測神經(jīng)遞質(zhì)水平的變化。”

 

約翰霍普金斯大學(xué)的放射學(xué)助理教授Assaf Gilad沒有參與這項工作,但是他指出,MIT團(tuán)隊采用了一種“非常有創(chuàng)意的方法”來發(fā)展基因活動的無創(chuàng)實時成像。“這些基因工程報告酶可能會徹底改變我們對于許多生物學(xué)過程的理解。”

 

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