研究人類中樞神經系統（CNS）疾病和紊亂的原因以尋求有效的治療方式需要體外和體內疾病模型，這些模型真實的再現了各自的神經病理生理情況，同時也通過必要的細胞機制支持神經元以提供翻譯結果的治療方式作出反應^1-3。  

 

      此外，我們需要研究最早的神經病理生理變化，因為這些變化為早期診斷和干預提供了絕佳機會。神經突觸的結構和功能變化通常是許多神經退行性疾病和中樞神經系統疾病中最早的病理變化。

 

      為了檢測早期的突觸功能障礙，科學家們利用活細胞成像技術來提供單細胞影像，并實時分析實驗條件的變化情況下細胞形態變化。本通訊討論了活體細胞成像在中樞神經系統疾病和疾病的體外和體內研究中的應用。

 

      設計與生物學相關的體外和體內活細胞成像實驗需要健康、成熟的神經元，神經元需要具有適當的突觸結構和功能（即形態和電活性）（下圖）。主要成像目標是突觸前和突觸后結構和相關蛋白（例如，突觸囊泡蛋白、神經遞質受體、離子通道、支架蛋白或細胞骨架蛋白[F-actin、微管]），因為它們是最早發生病理變化的基質⁴（下圖）。

 

  

 

      評估突觸結構或功能變化的方法包括測量突觸密度、軸突長度、脊椎密度、節點（軸突在細胞體上的位置）、樹突分支或電活動⁴。  

 

      體外培養的哺乳動物神經元的活細胞成像，包括人類誘導多能干細胞（hipsc）來源的神經元，由于它與人類神經元之間具有更大的生物學相關性⁸，能夠揭示與人類神經退行性疾病（如阿爾茨海默病（AD）和帕金森病）相關的獨特的機理和功能發現。載脂蛋白E（apoe-E）是一種與AD發病密切相關的蛋白，但apoe-E及其代謝產物在神經元生理學中的作用尚未得到重視。

 

      近期研究發現，分化的SH-SY5Y神經母細胞瘤經25kDa片段或全長apoe-E長期治療后顯示出神經增生（通過活細胞成像評估軸突長度和細胞融合的陽性變化）⁹，初步藥物篩選研究也受益于這種方法。在AD中，兩種最常見的藥物靶點是淀粉樣β蛋白（aβ）和tau蛋白，因為這兩種蛋白都對突觸有早期病理作用^5-7。

 

      近年來，有學者對HIPSC來源的神經元進行了活體細胞成像，篩選出幾種抗病理性Aβ的候選抗體，通過在不同梯度抗體孵育時間和濃度范圍內量化軸突長度和樹突分支點的變化來評估陽性免疫治療結果¹⁰。

 

 

 

 

人誘導神經元（INS）分化過程0-21天的活細胞成像

 

 

      在另一項Aβ研究中，Hong等人¹¹對活體HIPSC衍生神經元進行了成像，用從死后人類大腦提取物中分離出的Aβ低聚物對這些神經元進行處理，通過定量分析軸突長度和突觸可塑性的變化，并結合長期電位記錄來評估低聚物的病理生理特性。

 

      隨著對tau構象敏感的第一個基因編碼的促進共振能量轉移（FRET）傳感器的誕生，tau蛋白成為一項新技術的焦點，該傳感器監測了活的hela細胞和永生的HT22海馬神經元在藥物治療后，微管（mts）存在和不存在的情況下野生型和病理突變的tau蛋白的構象 ¹²，這個tau-FRET傳感器提供了非常寶貴的定量和定性數據，涉及tau與mts結合的調節、可溶性與不溶性（病理性）tau的比率和如何影響tau的構象以利于非病理形式。

 

 

 

 

Tau蛋白構象敏感傳感器（CST）在活細胞中的成像

 

 

      體內動物模型是體外細胞培養模型的補充，動物神經元的活體細胞成像通常使用雙光子顯微鏡進行，這種顯微鏡允許在自然狀態下和在互聯支持網絡的較大環境中觀察功能性神經元的單細胞影像¹³，通過這種方式，動物體內的活細胞成像產生了變革性，研究者有機會實時可視化的分析細胞動態過程。

 

      此外，單細胞體內成像可對感覺、行為變化和藥物治療過程中的神經元功能反應進行量化¹³。體內雙光子活細胞成像被應用于尋找抗帕金森（PD）藥物的靶向α-突觸核蛋白的作用機制¹⁴，以及評估將胚胎細胞移植到受損成人大腦區域以替換死亡或即將死亡的神經原^15-17的可行性和最佳時機、宿主和供體條件。

 

      此外，體內成像可以揭示新的治療方法，MPTP小鼠PD模型活細胞成像顯示，MPTP處理小鼠運動皮質神經元的結構和功能突觸可塑性受多巴胺能神經元選擇性丟失的影響，提高了調控運動皮質特定區域的神經元活動是治療PD相關運動損傷的可行選擇的可能性¹⁸。

 

 

PD小鼠模型中運動皮質脊柱的動態變化

      總結

      活體細胞成像技術是研究中樞神經系統疾病和障礙的寶貴工具，它不僅能讓研究者對基本疾病/障礙生物學進行深入的了解，而且能實時了解藥理、遺傳和行為治療干預的功能后果。再加上超分辨率顯微鏡和自動化活細胞成像技術的進步¹⁹，我們有很好的機會來關注第一次病理性突觸變化，這種變化可以通過早期治療干預來停止或逆轉。

 

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      參考文獻：

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2. Schlachetzki J.C. et al. 2013. Studying neurodegenerative diseases in culture models.  Bras. Psiquiatr.35, S92-100.
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