《科學(xué)》首次發(fā)現(xiàn)：大腦里有大量缺氧區(qū)，但運(yùn)動(dòng)可大幅緩解(2)

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2024-03-29 11:05:03 學(xué)術(shù)經(jīng)緯

近年來(lái)，熒光蛋白工具也經(jīng)歷了一系列改造升級(jí)，最新研究使用的就是一種由熒光酶素和熒光蛋白組成的熒光融合蛋白（名為Green enhanced Nano-lantern，簡(jiǎn)稱GeNL）。在熒光素酶的催化作用下，發(fā)光底物furimazine發(fā)生氧化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的能量就以光的形式釋放。

為了測(cè)定鈣活動(dòng)，研究團(tuán)隊(duì)在小鼠的星形膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)GeNL，并通過(guò)開(kāi)顱手術(shù)將底物注射至腦內(nèi)。不幸的是，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中遇到了一些挫折：他們拿到的熒光蛋白產(chǎn)品在生產(chǎn)環(huán)節(jié)出了問(wèn)題。在等待制造商提供新蛋白的同時(shí)，論文第一作者Felix Beinlich博士決定用這批“次品”繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用于優(yōu)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

在實(shí)驗(yàn)中，Beinlich博士注意到發(fā)光的強(qiáng)度出現(xiàn)了波動(dòng)。這種波動(dòng)反映出什么樣的生理變化？熒光酶素催化底物的反應(yīng)需要氧氣參與，在一定條件下，氧氣濃度可以成為這個(gè)酶促反應(yīng)的限速因素。因此

作者猜測(cè)，熒光強(qiáng)度的變化可能反映了局部的氧氣水平，也就是氧分壓。

接下來(lái)的小鼠實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這一猜測(cè)：在改變小鼠所處環(huán)境的氧氣濃度后，作者發(fā)現(xiàn)生物發(fā)光強(qiáng)度的變化與測(cè)得的氧分壓變化線性相關(guān)。因此，GeNL的生物發(fā)光強(qiáng)度可以成為準(zhǔn)確測(cè)定氧分壓的指標(biāo)！

作者將其稱作基因編碼生物熒光氧指示劑。如下方視頻所示，利用這款具有優(yōu)秀信噪比的工具，我們第一次可以從熒光強(qiáng)度中，直接看清氧分壓的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化。

這一看，研究團(tuán)隊(duì)真的看見(jiàn)了一個(gè)前所未見(jiàn)的現(xiàn)象：大腦中一些面積很小的特定區(qū)域會(huì)變暗，持續(xù)的時(shí)間從幾秒到幾分鐘不等。熒光強(qiáng)度指示的是局部的氧分壓，因此暗區(qū)意味著這些區(qū)域的氧氣供應(yīng)被暫時(shí)切斷了。研究團(tuán)隊(duì)將其稱作“缺氧區(qū)”（hypoxic pockets）。

在小鼠研究中，同一位置平均每7分鐘就會(huì)出現(xiàn)一次缺氧區(qū)。

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