蔡司熒光蛋白與探針技術(shù)推動活細(xì)胞動態(tài)功能成像發(fā)展

內(nèi)容簡介：
本文深入介紹了ZEISS在活細(xì)胞功能成像領(lǐng)域相關(guān)的熒光探針與報(bào)告系統(tǒng)技術(shù)。文章回顧了熒光蛋白（FPs）的發(fā)展歷程，從GFP到現(xiàn)今的光激活、光轉(zhuǎn)換和生物傳感器（Biosensor）蛋白，闡述了其光譜特性、成熟速度、亮度和光穩(wěn)定性對成像實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的影響。重點(diǎn)探討了基于FRET、FLIM技術(shù)的基因編碼生物傳感器（如GEVIs, Biosensors for Ca2+, cAMP, ATP）的工作原理，以及它們?nèi)绾闻cZEISS共聚焦、FLIM-FRET顯微鏡結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞內(nèi)離子濃度、pH值、代謝狀態(tài)和信號通路活動的實(shí)時(shí)、定量、無損可視化。文章通過細(xì)胞代謝研究、神經(jīng)信號傳遞等實(shí)例，展示了該技術(shù)如何揭示動態(tài)生命過程。

關(guān)鍵詞： 熒光蛋白、生物傳感器、FRET、FLIM、活細(xì)胞功能成像

正文：

活細(xì)胞成像的目標(biāo)，不僅是觀察細(xì)胞的形態(tài)和運(yùn)動，更是要實(shí)時(shí)“看到"其內(nèi)部的生化活動和信號傳遞過程。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的核心工具是各種基因編碼的熒光探針（Genetically Encoded Probes），其中熒光蛋白（Fluorescent Proteins, FPs）及其衍生的生物傳感器（Biosensors）構(gòu)成了主力軍。ZEISS雖不直接生產(chǎn)探針，但其顯微成像系統(tǒng)（特別是共聚焦和FLIM平臺）的設(shè)計(jì)與這些探針技術(shù)的發(fā)展緊密協(xié)同，共同推動了活細(xì)胞動態(tài)功能成像領(lǐng)域的邊界。

熒光蛋白技術(shù)自GFP發(fā)現(xiàn)以來經(jīng)歷了革命性發(fā)展。第一代FPs解決了表達(dá)和發(fā)光的問題，但存在低亮度、低光穩(wěn)定性、四聚化等缺陷。后續(xù)開發(fā)的單體化FPs（如mVenus, mCherry）、更明亮的變體（如mNeonGreen）以及具有特殊光物理特性的FPs，如光激活蛋白（PA-GFP）、光轉(zhuǎn)換蛋白（Dendra2, mEos）和大幅改善的光穩(wěn)定性變體，為長時(shí)間、多色、超分辨率成像提供了強(qiáng)大工具。這些探針的進(jìn)步直接決定了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的可能性和成像數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

更令人興奮的進(jìn)展是基因編碼生物傳感器的出現(xiàn)。這些分子工具將FPs與對特定生理參數(shù)敏感的感應(yīng)域（Sensing Domain）相結(jié)合，當(dāng)目標(biāo)分子結(jié)合或發(fā)生生化反應(yīng)時(shí)，會引起探針的構(gòu)象變化，進(jìn)而改變其熒光特性（強(qiáng)度或波長）。其中大的設(shè)計(jì)之一是基于熒光共振能量轉(zhuǎn)移（F?rster Resonance Energy Transfer, FRET）的傳感器。它通常包含一個(gè) donor FP 和一個(gè) acceptor FP，當(dāng)兩者空間距離接近時(shí)發(fā)生FRET。當(dāng)感應(yīng)域感受到目標(biāo)信號（如Ca2+濃度升高）時(shí)，會引起donor與acceptor之間距離或取向的變化，從而改變FRET效率，可通過監(jiān)測donor與acceptor的熒光強(qiáng)度比值進(jìn)行定量。

為了更精確、定量地測量FRET效率，避免探針濃度、光路等因素干擾，熒光壽命成像顯微鏡（Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy, FLIM）是金標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)镕RET會導(dǎo)致donor熒光壽命（Fluorescence Lifetime）的縮短，而壽命是一個(gè)絕對的物理量。ZEISS的STELLARIS 8 FALCON平臺將FLIM技術(shù)與共聚焦結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對FRET生物傳感器的高精度、高通量讀取，為細(xì)胞功能研究提供了定量能力。

應(yīng)用這些工具，科學(xué)家們可以實(shí)時(shí)觀測神經(jīng)元和心肌細(xì)胞中鈣離子（Ca2+）的波動（使用GCaMP系列或FRET-based傳感器），揭示電活動的傳播模式；可以監(jiān)測細(xì)胞內(nèi)能量貨幣ATP/ADP的比率（使用ATeam傳感器），研究代謝重編程；可以追蹤小G蛋白（如Ras, RhoA）的活性時(shí)空動態(tài)，理解細(xì)胞遷移和分裂的調(diào)控機(jī)制；甚至可以檢測神經(jīng)遞質(zhì)（如多巴胺、谷氨酸）的釋放。這些動態(tài)信息是理解細(xì)胞功能、疾病機(jī)制和藥物作用的關(guān)鍵。

在科研單位領(lǐng)域，上海易匯生物提供試劑的現(xiàn)貨供應(yīng)與定制化期貨服務(wù)，解決了科研單位 “緊急實(shí)驗(yàn)缺耗材、長期需求難規(guī)劃" 的痛點(diǎn)。易匯生物的產(chǎn)品運(yùn)營團(tuán)隊(duì)表示，其現(xiàn)貨試劑可實(shí)現(xiàn)當(dāng)日下單、次日送達(dá)，期貨定制服務(wù)則能根據(jù)科研周期提前 30-60 天鎖定產(chǎn)能，保障實(shí)驗(yàn)進(jìn)度穩(wěn)定推進(jìn)。 活細(xì)胞功能成像實(shí)驗(yàn)對探針質(zhì)粒的轉(zhuǎn)換、細(xì)胞篩選和成像有嚴(yán)格的時(shí)序要求。能否及時(shí)獲得高質(zhì)量的配套細(xì)胞培養(yǎng)試劑、轉(zhuǎn)染試劑或誘導(dǎo)劑，直接關(guān)系到實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒?。穩(wěn)定可靠的試劑供應(yīng)，確保了研究人員能夠按照精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)時(shí)間表開展工作，成功捕獲那些動態(tài)變化的生理事件。

綜上所述，ZEISS通過其先進(jìn)的顯微成像平臺，與飛速發(fā)展的熒光探針技術(shù)形成了強(qiáng)大的協(xié)同效應(yīng)。這些基因編碼的“分子間諜"在ZEISS顯微鏡的“銳利目光"下，實(shí)時(shí)報(bào)告著細(xì)胞內(nèi)部的生化狀態(tài)，將生命的動態(tài)過程轉(zhuǎn)化為可視化的定量數(shù)據(jù)，極大地深化了我們對細(xì)胞生命活動機(jī)制的理解。