神经元靶向技术是推动中枢神经系统生理和病理过程基础研究和神经退行性疾病治疗的有力手段。其中，基于病毒转染的转基因策略和以单克隆抗体、核酸适配体为代表的免转染策略在神经靶向成像和神经功能调控领域发挥了重要作用。然而，由于生物环境的复杂性和生物标志物表达水平的不同，神经元靶向技术仍面临一些关键瓶颈：第一，缺乏非固定脑片或神经元的选择性标记工具；第二，通过非基因转染策略对动物特定脑区、回路或特定神经元种类的高选择性靶向标记仍面临巨大挑战；第三，由于中枢神经系统受到血脑屏障（BBB）的保护，通过静脉给药策略的脑部神经元标记是极为困难的。因此，发现或发展中枢神经系统上多尺度应用的活神经元靶向工具一直是该领域的迫切需求。
近日，北京师范大学化学学院的毛兰群教授团队基于蓝藻细菌中的铁氧化还原蛋白依赖型谷氨酸合成酶（Fd-GOGATcb），开发了一种非基因编码、可自主递送、跨血脑屏障的谷氨酸能神经元活体靶向工具。结合蛋白质化学修饰技术，Fd-GOGATcb可构建为一种免转染的多功能蛋白质平台。通过荧光功能化修饰，Fd-GOGATcb可作为谷氨酸能神经元的荧光探针，无需固定即可在原代细胞层次、脑片层次及活体层次实现谷氨酸能神经元的多尺度快速靶向成像（1-2小时）。进一步地，Fd-GOGATcb可携带光敏分子，在尾静脉系统给药的条件下主动透过小鼠血脑屏障，实现活体谷氨酸能神经元电活动的光响应调控。该平台解决了活体直接靶向、操纵神经元的长期难题，并为谷氨酸能神经功能与疾病的基础研究及其临床转化提供了新的潜在工具。
图1：Fd-GOGATcb可作为一种非基因编码、可自主递送、跨血脑屏障的化学多功能蛋白质平台，可快速、特异性结合在鼠脑中的谷氨酸能神经元，进而实现谷氨酸能神经元成像和神经功能调控。 图2：FITC@Fd-GOGATcb可选择性标记神经母细胞瘤细胞（a），并结合在细胞膜表面（b）；FITC@Fd-GOGAT 对海马脑区的原代神经元具有强亲和力，可点亮神经元的整个胞体和突触（c），而对皮层和纹状体脑区的原代神经元则难以实现有效标记（d）。 图3：a, FITC@Fd-GOGATcb可对非固定脑片的海马脑区（齿状回-DG和CA1-3）进行快速标记（1 h），且与神经元免疫荧光染色结果（NeuN mAb）有良好共定位。b, FITC@Fd-GOGATcb可选择性点亮非固定脑片上谷氨酸能神经元富集区域。 图4：谷氨酸能神经元靶向性验证：通过病毒转染，在小鼠谷氨酸能神经元的谷氨酸囊泡转运体（VGlut1）上融合并表达了一个红色报告蛋白质mCherry，用以指示谷氨酸能神经元。通过脑片收集后FITC@Fd-GOGATcb的染色和共定位分析，确认了FITC@Fd-GOGATcb对谷氨酸能神经元标记的特异性（a-c）；同时，通过在小鼠海马DG脑区进行FITC@Fd-GOGATcb的原位注射，其可在1 h内实现谷氨酸能神经元的活体选择性标记（d-e）。 图5：血脑屏障穿透的光响应神经调控：Cy5@Fd-GOGATcb可在小鼠尾静脉注射后实现脑部的快速富集（2 h达到最大值），并实现海马CA1-CA3脑区的神经元靶向标记（a-b）。Fd-GOGATcb偶联光敏分子Ce6后，可通过脑部原位的光刺激实现对海马脑区神经元兴奋性的高效抑制（c-h）。 该工作基于铁氧还蛋白依赖型谷氨酸合成酶（Fd-GOGATcb），发展了一种非基因编码、可自主递送、跨血脑屏障的谷氨酸能神经元靶向标记平台，实现了多层次的快速标记和活体靶向的神经化学调控。通过荧光功能化修饰，Fd-GOGATcb可作为谷氨酸能神经元的荧光探针，实现非固定、多尺度、血脑屏障透过的快速神经成像。同时，Fd-GOGATcb可携带光敏分子主动透过血脑屏障，实现活体谷氨酸能神经元电活动的光响应调控，有效降低神经元放电至对照组的40%以下。该平台解决了活体直接靶向并操控神经元功能的关键问题，为谷氨酸能神经元相关的生理、病理机制研究提供了新的工具，也为与谷氨酸相关的神经系统疾病治疗提供了新的途径。 论文信息 A Chemically Tailorable Multifunctional Protein Platform for Glutamatergic Neuron Targeting in Mouse Brain Dr. Xiaoti Yang, Shuxin Li Dr. Jing Liu, Prof. Lijuan Hou, Ran Liu, Xinjie Sun, Rui Yao, Prof. Ming Wang, Prof. Fei Wu, Prof. Ping Yu, Prof. Lanqun Mao Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202506692
