胆绿素还原酶A敲除实现深层组织高灵敏度多模态成像与光遗传操控

本研究针对细菌光敏色素(BphP)衍生的近红外(NIR)探针因内源性胆绿素(BV)不足导致的深层组织成像与光遗传操控效率低的问题，通过构建胆绿素还原酶A敲除(Blvra-/-)小鼠模型，显著提升BphP工具性能。实验表明：Blvra-/-使神经元光控基因转录效率提高100倍；结合新型三维光声超声定位显微系统(3D-PAULM)，首次实现活体7mm深部神经元（完整头骨条件下）及肿瘤的高对比度成像；双光子显微镜成像深度达2.2mm（单细胞分辨率）。该模型为神经科学、肿瘤学及代谢疾病研究提供了突破性工具。

　　

论文解读

研究背景：破解深层组织成像与调控的瓶颈

在生命科学和医学研究中，对活体深层组织的非侵入式成像与精准调控是探索复杂生理机制的关键。细菌光敏色素(BphP)衍生的近红外(NIR)探针（波长650-900 nm）因组织穿透性强、自发荧光低等优势，在光遗传操控(Optogenetic manipulation, OT)和分子成像领域备受瞩目。然而，这类探针的功能高度依赖内源性胆绿素(Biliverdin, BV)作为发色团。哺乳动物组织中BV水平存在显著差异，尤其在脑部含量极低，导致探针在深部组织（如大脑）的组装效率不足，严重制约了其应用。传统解决方案（如外源BV补充或基因过表达）存在渗透性差、效果不稳定等问题。因此，开发一种能系统性提升内源性BV水平的新模型，成为突破现有技术瓶颈的核心挑战。

研究策略与核心发现

美国爱因斯坦医学院（Albert Einstein College of Medicine）和杜克大学（Duke University）的研究团队提出创新方案：通过构建胆绿素还原酶A基因敲除(Blvra^-/-)小鼠模型，阻断BV向胆红素的转化路径，使内源性BV在全身组织（尤其脑部）累积。结合自主研发的三维光声超声定位显微系统(3D-PAULM)，实现了对BphP衍生探针性能的跨尺度评估。该成果发表于《Nature Communications》，为深层组织研究提供了全新平台。

关键技术方法

研究采用以下多学科交叉技术：

1. 基因编辑模型：构建Blvra^-/-纯合小鼠及BphP1转基因小鼠(loxP-BphP1 Blvra^-/-)；

2. 跨尺度成像系统：开发3D-PAULM系统，整合可逆开关光声层析成像(RS-PAT)和超声定位显微(ULM)，实现7mm深部组织的高分辨率血管与分子成像；

3. 病毒递送与光遗传操控：利用腺相关病毒(AAV)递送光遗传工具iLight（基于IsPadC BphP）及荧光报告基因（如miRFP720），结合660 nm近红外光调控基因转录；

4. 疾病模型验证：通过链脲佐菌素(STZ)诱导1型糖尿病小鼠模型，评估光控胰岛素治疗的疗效。

研究结果与核心结论

1. 光遗传效率的突破性提升

   • 标题：Blvra^-/-显著增强原代细胞光遗传激活

   • 结论：在Blvra^-/-原代神经元中，iLight系统激活基因转录（AkaLuc报告基因）的明暗对比度达100倍，较野生型(WT)提升25倍（图1c）。外源BV补充对Blvra^-/-细胞无增益，表明内源性BV已完全满足探针组装需求。

     

2. 深部脑区神经元成像的首个成功案例

   • 标题：3D-PAULM实现完整颅骨下深部神经元成像

   • 结论：通过3D-PAULM系统（图2a），首次在完整头骨下对海马区（深度2-3 mm）DrBphP-PCM标记神经元成像，信噪比(CNR)达615（Blvra^-/- vs. WT：9.2倍提升）。下丘脑（深度6-7 mm）神经元清晰可见（图2j），突破传统光学成像深度极限（1-2 mm）。

     

3. 荧光成像深度的显著拓展

   • 标题：Blvra^-/-增强双光子显微成像深度

   • 结论：Blvra^-/-脑中miRFP720（基于BphP的荧光蛋白）的双光子激发荧光强度提升2.5倍，成像深度达2.2 mm（图3b, e），首次实现深部脑区单细胞分辨率成像。

     

4. 肿瘤与脏器成像的应用拓展

   • 标题：全身脏器与肿瘤的高对比度分子成像

   • 结论：在Blvra^-/-小鼠肝脏和脾脏中，BphP1探针的RS-PAT信噪比较WT提升2.3倍（图4f）。移植瘤实验证实，Blvra^-/-宿主血液循环的BV可渗透至肿瘤组织，使DrBphP-PCM-4T1肿瘤信号均匀且CNR提升3.6倍（图5h）。

     

5. 光控代谢疾病治疗的验证

   • 标题：近红外光调控逆转糖尿病模型高血糖

   • 结论：在1型糖尿病(T1D)模型中，Blvra^-/-小鼠经肝脏光控表达胰岛素后，血糖降至正常范围（9.26 mM），而WT小鼠仅达糖尿病前期水平（12.93 mM）（图6f），证明Blvra^-/-模型对代谢疾病治疗的临床潜力。

研究意义与展望

本研究通过Blvra^-/-模型解决了Bp