神經元靶向技術是推動中樞神經系統生理和病理過程基礎研究和神經退行性疾病治療的有力手段。其中，基于病毒轉染的轉基因策略和以單克隆抗體、核酸適配體為代表的免轉染策略在神經靶向成像和神經功能調控領域發揮了重要作用。然而，由于生物環境的復雜性和生物標志物表達水平的不同，神經元靶向技術仍面臨一些關鍵瓶頸：第一，缺乏非固定腦片或神經元的選擇性標記工具；第二，通過非基因轉染策略對動物特定腦區、回路或特定神經元種類的高選擇性靶向標記仍面臨巨大挑戰；第三，由于中樞神經系統受到血腦屏障（BBB）的保護，通過靜脈給藥策略的腦部神經元標記是極為困難的。因此，發現或發展中樞神經系統上多尺度應用的活神經元靶向工具一直是該領域的迫切需求。
近日，北京師范大學化學學院的毛蘭群教授團隊基于藍藻細菌中的鐵氧化還原蛋白依賴型谷氨酸合成酶（Fd-GOGATcb），開發了一種非基因編碼、可自主遞送、跨血腦屏障的谷氨酸能神經元活體靶向工具。結合蛋白質化學修飾技術，Fd-GOGATcb可構建為一種免轉染的多功能蛋白質平臺。通過熒光功能化修飾，Fd-GOGATcb可作為谷氨酸能神經元的熒光探針，無需固定即可在原代細胞層次、腦片層次及活體層次實現谷氨酸能神經元的多尺度快速靶向成像（1-2小時）。進一步地，Fd-GOGATcb可攜帶光敏分子，在尾靜脈系統給藥的條件下主動透過小鼠血腦屏障，實現活體谷氨酸能神經元電活動的光響應調控。該平臺解決了活體直接靶向、操縱神經元的長期難題，并為谷氨酸能神經功能與疾病的基礎研究及其臨床轉化提供了新的潛在工具。
圖1：Fd-GOGATcb可作為一種非基因編碼、可自主遞送、跨血腦屏障的化學多功能蛋白質平臺，可快速、特異性結合在鼠腦中的谷氨酸能神經元，進而實現谷氨酸能神經元成像和神經功能調控。 圖2：FITC@Fd-GOGATcb可選擇性標記神經母細胞瘤細胞（a），并結合在細胞膜表面（b）；FITC@Fd-GOGAT 對海馬腦區的原代神經元具有強親和力，可點亮神經元的整個胞體和突觸（c），而對皮層和紋狀體腦區的原代神經元則難以實現有效標記（d）。 圖3：a, FITC@Fd-GOGATcb可對非固定腦片的海馬腦區（齒狀回-DG和CA1-3）進行快速標記（1 h），且與神經元免疫熒光染色結果（NeuN mAb）有良好共定位。b, FITC@Fd-GOGATcb可選擇性點亮非固定腦片上谷氨酸能神經元富集區域。 圖4：谷氨酸能神經元靶向性驗證：通過病毒轉染，在小鼠谷氨酸能神經元的谷氨酸囊泡轉運體（VGlut1）上融合并表達了一個紅色報告蛋白質mCherry，用以指示谷氨酸能神經元。通過腦片收集后FITC@Fd-GOGATcb的染色和共定位分析，確認了FITC@Fd-GOGATcb對谷氨酸能神經元標記的特異性（a-c）；同時，通過在小鼠海馬DG腦區進行FITC@Fd-GOGATcb的原位注射，其可在1 h內實現谷氨酸能神經元的活體選擇性標記（d-e）。 圖5：血腦屏障穿透的光響應神經調控：Cy5@Fd-GOGATcb可在小鼠尾靜脈注射后實現腦部的快速富集（2 h達到最大值），并實現海馬CA1-CA3腦區的神經元靶向標記（a-b）。Fd-GOGATcb偶聯光敏分子Ce6后，可通過腦部原位的光刺激實現對海馬腦區神經元興奮性的高效抑制（c-h）。 該工作基于鐵氧還蛋白依賴型谷氨酸合成酶（Fd-GOGATcb），發展了一種非基因編碼、可自主遞送、跨血腦屏障的谷氨酸能神經元靶向標記平臺，實現了多層次的快速標記和活體靶向的神經化學調控。通過熒光功能化修飾，Fd-GOGATcb可作為谷氨酸能神經元的熒光探針，實現非固定、多尺度、血腦屏障透過的快速神經成像。同時，Fd-GOGATcb可攜帶光敏分子主動透過血腦屏障，實現活體谷氨酸能神經元電活動的光響應調控，有效降低神經元放電至對照組的40%以下。該平臺解決了活體直接靶向并操控神經元功能的關鍵問題，為谷氨酸能神經元相關的生理、病理機制研究提供了新的工具，也為與谷氨酸相關的神經系統疾病治療提供了新的途徑。 論文信息 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
