《Nature Methods》小型荧光蛋白助力深层组织成像

杜克大学(Duke University)和阿尔伯特·爱因斯坦医学院(Albert Einstein College of Medicine)的生物医学和基因工程师设计了一种小型荧光蛋白，它能发射并吸收穿透生物组织深处的光。这种蛋白质适合近红外(NIR)光谱的波长，可以帮助研究人员捕捉更深、更清晰、更精确的生物医学图像。

　　

   

   

这幅图片显示了一种小型荧光蛋白，它能发射并吸收穿透生物组织深处的光。这里显示的是活体老鼠肝脏的炎症。插图显示了mirfp718纳米蛋白质的分子和化学结构。    

杜克大学(Duke University)和阿尔伯特·爱因斯坦医学院(Albert Einstein College of Medicine)的生物医学和基因工程师设计了一种小型荧光蛋白，可以发射和吸收穿透生物组织深处的光。这种蛋白质适合近红外(NIR)光谱的波长，可以帮助研究人员捕捉更深、更清晰、更精确的生物医学图像。

这项研究发表在12月1日的Nature Methods。  

用光成像深部组织具有挑战性。可见光通常会被体内的结构和分子迅速吸收和散射，使研究人员无法看到组织内超过一毫米的东西。如果他们能进一步探测，胶原蛋白或黑色素等物质通常会使图像浑浊，通过它们的自然荧光产生相当于背景噪声的效果。

杜克大学生物医学工程助理教授Junjie Yao说:“生物分子自然地吸收和发射可见光谱中的光，可见光谱大约为350到700纳米。因此，当使用它来成像深层组织时，就像试图在白天观察星星一样。信号被淹没了。”

为了从这些浑浊的水中走出来，Yao和他的合作者，纽约阿尔伯特·爱因斯坦医学院的遗传学教授Vladislav Verkhusha开发了一种蛋白质，可以吸收并发射近红外(NIR)光谱中波长更长的光。

Yao说:“在近红外700-1300纳米的窗口内，组织是最透明的。在这些波长下，光可以穿透更深的组织，因为需要过滤的自然背景荧光较少，我们可以花更长时间曝光，捕捉更清晰的图像。”

Verkhusha和他的实验室使用一种称为定向分子进化的过程来设计蛋白质，利用通常在细菌中发现的光感受器作为结构的基础。这些光感受器对成像研究很有用，因为当受到特定波长的光照射时，它们可以在沉默和活跃状态之间切换。它们可以与胆绿素结合，胆绿素是一种在哺乳动物和人类组织中大量存在的生物分子。

Verkhusha解释说:“我们研究了胆绿素的结构，以确定光感受器如何最好地附着在生物分子上。在我们了解了结合过程后，我们仔细地引入了连接到胆绿素的分子的关键部分的替换，以增加电子结合，这是获得红移荧光所必需的。最后，我们进行了随机突变，然后进行了高通量筛选，这样蛋白质就会进化并增加它们的亮度。”

发现的最亮的蛋白质被称为miRFP718nano，它很容易在细胞和组织中产生，并在可见范围外发出光。但是，尽管近红外激活本身是有帮助的，在最初的活动爆发之后发生的事情对生物医学成像更有希望。

“我们已经看到，近红外范围可以分成两个主要区域，”Yao解释说。“当近红外光第一次照射到这些蛋白质时，它们在第一区域发射出大约700-900纳米的光。但随着它们的衰减，波长逐渐变长，就像彗星后面的尾巴一样。这时，它们开始在第二个近红外区发射光，这是900-1300纳米。”

在第二个区域，使用较短波长的所有好处都得到了增强:光可以穿透组织两倍深，背景荧光明显变暗，图像分辨率可以清晰两到三倍，允许复杂结构的详细图像。

为了证明这一概念，Yao和他在杜克大学的团队使用了一种叫做短波红外(SWIR)的成像技术来测试这种新蛋白质的功效。这一过程将近红外区- 1光送入组织深处，激活荧光蛋白。当蛋白质衰变时，它们发出近红外二区光，提供有关目标组织和细胞的结构和组成的信息，这些信息可以翻译成高分辨率图像。

在将miRFP718纳米蛋白引入动物模型后，研究小组用它们捕捉了小鼠消化道中的微生物图像，可视化了小鼠乳腺中的细胞，甚至跟踪了小鼠肝脏炎症的变化。所有捕获的图像都比使用标准的近红外区- 1成像蛋白制作的图像更清晰、更详细。

Yao和Verkhusha乐观地认为，他们的持续合作将为他们在生物医学成像和蛋白质工程方面的工作带来福音。随着Verkhusha继续改进和改进荧光蛋白和生物传感器，Yao很高兴能使用新工具更近距离地可视化大脑，并有可能跟踪癌细胞的运动。

Yao说:“这是我们长达十年合作的一个令人兴奋的新前沿，因为我们可以使用成像工具来指导蛋白质工程决策，我们可以使用先进的蛋白质工程来提高成像能力。”

Deep-Tissue SWIR Imaging Using Rationally Designed Small Red-Shifted Near-Infrared Fluorescent Protein