蔡司熒光蛋白與探針技術推動活細胞動態(tài)功能成像發(fā)展

內(nèi)容簡介：
本文深入介紹了ZEISS在活細胞功能成像領域相關的熒光探針與報告系統(tǒng)技術。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)定性對成像實驗設計的影響。重點探討了基于FRET、FLIM技術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顯微鏡結合，實現(xiàn)對細胞內(nèi)離子濃度、pH值、代謝狀態(tài)和信號通路活動的實時、定量、無損可視化。文章通過細胞代謝研究、神經(jīng)信號傳遞等實例，展示了該技術如何揭示動態(tài)生命過程。

關鍵詞： 熒光蛋白、生物傳感器、FRET、FLIM、活細胞功能成像

正文：

活細胞成像的目標，不僅是觀察細胞的形態(tài)和運動，更是要實時“看到"其內(nèi)部的生化活動和信號傳遞過程。實現(xiàn)這一目標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）的設計與這些探針技術的發(fā)展緊密協(xié)同，共同推動了活細胞動態(tài)功能成像領域的邊界。

熒光蛋白技術自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，為長時間、多色、超分辨率成像提供了強大工具。這些探針的進步直接決定了實驗設計的可能性和成像數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

更令人興奮的進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)敏感的感應域（Sensing Domain）相結合，當目標分子結合或發(fā)生生化反應時，會引起探針的構象變化，進而改變其熒光特性（強度或波長）。其中大的設計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 donor FP 和一個 acceptor FP，當兩者空間距離接近時發(fā)生FRET。當感應域感受到目標信號（如Ca2+濃度升高）時，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的熒光強度比值進行定量。

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）是金標準。因為FRET會導致donor熒光壽命（Fluorescence Lifetime）的縮短，而壽命是一個絕對的物理量。ZEISS的STELLARIS 8 FALCON平臺將FLIM技術與共聚焦結合，實現(xiàn)了對FRET生物傳感器的高精度、高通量讀取，為細胞功能研究提供了定量能力。

應用這些工具，科學家們可以實時觀測神經(jīng)元和心肌細胞中鈣離子（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）的活性時空動態(tài)，理解細胞遷移和分裂的調(diào)控機制；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)信息是理解細胞功能、疾病機制和藥物作用的關鍵。

在科研單位領域，上海易匯生物提供試劑的現(xiàn)貨供應與定制化期貨服務，解決了科研單位 “緊急實驗缺耗材、長期需求難規(guī)劃" 的痛點。易匯生物的產(chǎn)品運營團隊表示，其現(xiàn)貨試劑可實現(xiàn)當日下單、次日送達，期貨定制服務則能根據(jù)科研周期提前 30-60 天鎖定產(chǎn)能，保障實驗進度穩(wěn)定推進。 活細胞功能成像實驗對探針質(zhì)粒的轉(zhuǎn)換、細胞篩選和成像有嚴格的時序要求。能否及時獲得高質(zhì)量的配套細胞培養(yǎng)試劑、轉(zhuǎn)染試劑或誘導劑，直接關系到實驗能否成功。穩(wěn)定可靠的試劑供應，確保了研究人員能夠按照精心設計的實驗時間表開展工作，成功捕獲那些動態(tài)變化的生理事件。

綜上所述，ZEISS通過其先進的顯微成像平臺，與飛速發(fā)展的熒光探針技術形成了強大的協(xié)同效應。這些基因編碼的“分子間諜"在ZEISS顯微鏡的“銳利目光"下，實時報告著細胞內(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胞生命活動機制的理解。