美國(guó)光遺傳鈣成像

在生物有機(jī)體，鈣離子產(chǎn)生各種各樣的胞內(nèi)信號(hào)，這些胞內(nèi)信號(hào)幾乎在每種類型的細(xì)胞中都存在，且在很多功能方面有重要作用，例如對(duì)心肌細(xì)胞收縮的控制和從細(xì)胞增殖到細(xì)胞死亡整個(gè)細(xì)胞周期的調(diào)節(jié)等。在哺乳動(dòng)物的神經(jīng)系統(tǒng)中，鈣離子是一類重要的神經(jīng)元胞內(nèi)信號(hào)分子。在靜息狀態(tài)下，大部分神經(jīng)元的胞內(nèi)鈣離子濃度為50-100nM，而當(dāng)神經(jīng)元活動(dòng)的時(shí)候，胞內(nèi)鈣離子濃度能上升10-100倍，增加的鈣離子對(duì)于包含有神經(jīng)遞質(zhì)的突觸囊泡的胞吐釋放過(guò)程必不可少。也就是說(shuō)神經(jīng)元的活動(dòng)與其內(nèi)部的鈣離子濃度密切相關(guān)，神經(jīng)元在放電的時(shí)候會(huì)爆發(fā)出一個(gè)短暫的鈣離子濃度高峰。神經(jīng)元鈣成像（calciumimaging）技術(shù)的原理就是借助鈣離子濃度與神經(jīng)元活動(dòng)之間的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用特殊的熒光染料或者蛋白質(zhì)熒光探針(鈣離子指示劑，calciumindicator)，將神經(jīng)元當(dāng)中的鈣離子濃度通過(guò)熒光強(qiáng)度表現(xiàn)出來(lái)，從而達(dá)到檢測(cè)神經(jīng)元活動(dòng)的目的。鈣信號(hào)發(fā)揮著高度特異性的功能。美國(guó)光遺傳鈣成像

轉(zhuǎn)基因Ca2+指示劑：轉(zhuǎn)基因技術(shù)和光遺傳技術(shù)的飛速發(fā)展，催生了基因編碼的Ca2+指示劑（GECIs）。它們不依賴于熒光染料，可以靶向特定的組織，如神經(jīng)細(xì)胞、心肌細(xì)胞、T細(xì)胞等，并且可以避免熒光指示劑帶來(lái)的的許多問(wèn)題，是監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)基因動(dòng)物體內(nèi)鈣離子的一個(gè)極好的工具。個(gè)基因編碼的鈣離子指示劑Cameleon早在1997年就發(fā)表了。它是利用與鈣離子結(jié)合后發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，作為供體的CFP和作為受體的YFP之間產(chǎn)生FRET的原理。2000年，GCaMP誕生了。它是增強(qiáng)型綠色熒光蛋白（EGFP）和鈣調(diào)蛋白（結(jié)合鈣離子）、鈣調(diào)蛋白結(jié)合肽M13組成的，結(jié)合鈣離子后，鈣調(diào)素-M13相互作用引起GFP空間結(jié)構(gòu)變化，發(fā)出綠色熒光（圖5）。GCaMP的問(wèn)世有著**性的意義，它改變了我們觀察神經(jīng)元群體活動(dòng)的方式，讓科學(xué)家們可以在成千上萬(wàn)的細(xì)胞中，看到哪些神經(jīng)元在放電，它們放電的模式和規(guī)律是怎樣的，從而進(jìn)一步探索各種內(nèi)在的神經(jīng)機(jī)制。南京神經(jīng)元鈣成像生產(chǎn)廠家鈣離子能產(chǎn)生許多控制細(xì)胞功能的胞內(nèi)信號(hào)，如突觸囊泡中神經(jīng)遞質(zhì)的釋放等。

細(xì)胞內(nèi)鈣離子作為重要的信號(hào)分子其作用具有時(shí)間性和空間性。當(dāng)diyi個(gè)細(xì)胞興奮時(shí)，產(chǎn)生了一個(gè)電沖動(dòng)，此時(shí)，細(xì)胞外的鈣離子流入該細(xì)胞內(nèi)，促使這個(gè)細(xì)胞分泌神經(jīng)遞質(zhì)，神經(jīng)遞質(zhì)與相鄰的下一級(jí)神經(jīng)細(xì)胞膜上的蛋白分子結(jié)合，促使這一級(jí)神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生新的電沖動(dòng)。以此類推，神經(jīng)信號(hào)便一級(jí)一級(jí)地傳遞下去，從而構(gòu)成復(fù)雜的信號(hào)體系，*終形成了學(xué)習(xí)、記憶等大腦的高級(jí)功能。在哺乳動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)中，鈣離子同樣扮演著重要的信號(hào)分子的角色。

鈣離子在很多生理性的活動(dòng)中都發(fā)揮著重要作用，除了在肌肉細(xì)胞收縮中扮演著重要角色，鈣離子也是神經(jīng)元活動(dòng)的重要“風(fēng)向標(biāo)”之一：當(dāng)神經(jīng)元膜電位發(fā)生去極化，產(chǎn)生的動(dòng)作電位傳導(dǎo)到神經(jīng)元軸突末梢時(shí)，細(xì)胞膜上的電壓門控鈣離子通道打開，大量鈣離子內(nèi)流，包含神經(jīng)遞質(zhì)的囊泡由突觸前膜釋放至后膜，下游神經(jīng)元就得以接受到上游的信號(hào)。因此，鈣離子成像可以追蹤神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢?，從而幫助我們了解神?jīng)元集群的活動(dòng)，可以用于感知覺，學(xué)習(xí)記憶，社會(huì)性行為等各種各樣的研究中。清醒動(dòng)物腦功能鈣成像的微型顯微鏡的研究在不斷實(shí)踐中。

鈣成像的熒光指示劑鈣成像的熒光探針一般均為Ca2螯合劑EGTA，APTRA，BAPTA的衍生物，它們可以結(jié)合鈣離子從而顯示一個(gè)光譜響應(yīng)，使研究者可以用熒光顯微鏡來(lái)觀察細(xì)胞內(nèi)的自由鈣的濃度。熒光顯微鏡可以使用普通的倒置熒光顯微鏡來(lái)進(jìn)行鈣信號(hào)的測(cè)定和成像。并可結(jié)合電生理設(shè)備、活細(xì)胞培養(yǎng)裝置等，適用于大強(qiáng)度、廣范圍的鈣信號(hào)測(cè)定。共聚焦顯微系統(tǒng)，共聚焦以激光為光源，且可配備氬離子光源，可以選擇可見光激發(fā)的鈣指示劑，進(jìn)行層掃，相比普通熒光顯微鏡有更好的空間分辨率。并且共聚焦除了配備大視野掃描鏡更可配置共振掃描振鏡，以滿足更高速成像應(yīng)用的需求。雙光子顯微系統(tǒng)使用長(zhǎng)波長(zhǎng)來(lái)激發(fā)熒光指示劑，具有較低的細(xì)胞毒性，也可適用于紫外激發(fā)的鈣指示劑，且可獲得和單光子共聚焦系統(tǒng)類似的空間分辨率。小結(jié)綜上可見，在研究鈣信號(hào)時(shí)，可結(jié)合樣品自身特點(diǎn)來(lái)選擇相應(yīng)的鈣指示劑，并考慮既有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，來(lái)確定具體的實(shí)驗(yàn)方案。同時(shí)還需進(jìn)一步摸索實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的校正、控制等多種影響因素，可獲得可靠的圖像及熒光定量數(shù)據(jù)。鈣離子是哺乳動(dòng)物神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)的重要信使。超微顯微鈣成像聯(lián)系方式

傳統(tǒng)的鈣成像技術(shù)受限于顯微鏡的視野，只能對(duì)很小的一片區(qū)域進(jìn)行記錄。美國(guó)光遺傳鈣成像

單光子顯微技術(shù)是*成熟的熒光顯微技術(shù)，但由于單光子顯微技術(shù)使用的激發(fā)光波長(zhǎng)較短，成像深度比較有限；能量比較大,會(huì)造成對(duì)熒光物質(zhì)的漂白,光毒性嚴(yán)重。激光共焦掃描顯微鏡由于共焦顯微鏡的孔徑很小,實(shí)現(xiàn)樣本三維成像要逐點(diǎn)掃描,成像速度慢,對(duì)樣本損害大,很難用于長(zhǎng)時(shí)間活細(xì)胞成像實(shí)驗(yàn)。而寬場(chǎng)顯微鏡能夠很好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像,光漂白小,因而較早應(yīng)用于活細(xì)胞內(nèi)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，但寬場(chǎng)顯微鏡由于離焦信號(hào)的干擾,難以實(shí)現(xiàn)多維成像。美國(guó)光遺傳鈣成像

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