近日,南京師範大學化科院錢勇教授課題組在Cell Press細胞出版社期刊Cell Chemical Biology上發表了一篇題為“3D two-photon brain imaging reveals dihydroartemisinin exerts antiepileptic effects by modulating iron homeostasis”的最新研究。錢勇教授課題組將一種新型亞鐵離子(Fe2+)螢光探針與高通量成像科技相結合篩選出先導化合物雙氫青蒿素(DHA),揭示其可通過調節神經細胞鐵穩態從而緩解小鼠的癲癇狀態。這項工作創新地提供了一種可靠的化學工具來評估活體癲癇小鼠大腦中Fe2+的狀態變化,並可能有助於快速發現新的抗癲癇候選藥物,為化學調控癲癇疾病提供了新的思路。
鐵是生命的重要元素,正常的鐵平衡是維持生命和健康的關鍵。由於大腦是鐵積累的主要器官,鐵超載和异常代謝存在於許多神經系統疾病中,包括癲癇等。在神經細胞內,活性Fe2+的過度積累會促進過氧化氫的歧化反應產生羥基自由基,導致脂質和其他生物分子的過度氧化,最終導致神經元細胞的凋亡或鐵死亡。囙此,開發監測神經元中Fe2+狀態的新技術,特別是對活體大腦中Fe2+時空分佈進行成像,對瞭解癲癇大腦中鐵穩態至關重要。螢光成像科技作為一種非侵入性的成像方法,在神經生物學研究中的應用越來越廣泛。但現時,還沒有報導過可適用於在癲癇腦中對Fe2+時空分佈進行成像的雙光子螢光探針。
錢勇教授研究團隊研發了一種具有近紅外激發的可對Fe2+分佈進行三維動態成像的雙光子螢光探針FeP,可以穿過血腦屏障,具有靶向腦部特徵。利用探針FeP搭建了一種便捷、微創、可直觀長期檢測的平臺,首次在體內實时動態地觀察到了KA誘導癲癇期間活體小鼠腦部Fe2+的上調分布情况。他們將高內涵分析成像科技與FeP相結合,還構建了高通量細胞螢光成像篩選平臺,為研究生物系統中的Fe2+和篩選潜在抗癲癇藥物提供了一種高通量篩選方法。此外,該團隊將活體成像和腦電圖監測、動物行為學等研究相結合,初步證實了使螢光强度下調的天然產物DHA對KA誘導的癲癇小鼠模型具有有效的治療作用(圖1)。
圖1.雙光子螢光探針FeP的設計及其監測DHA緩解癲癇小鼠大腦中Fe2+通量變化的應用。
該研究團隊經過進一步的分子機制研究發現,DHA可顯著下調LCN2,Ac-p53和TfR1表達,上調FPN和GPX-4表達,從而調節腦內鐵穩態抑制神經元鐵死亡,揭示了DHA調節癲癇疾病發生發展的分子機制(圖2)。該研究為3D腦成像監測神經系統疾病腦內與鐵穩態相關的Fe2+的動態分佈提供了創新的研究平臺,也為鐵穩態調節劑的篩選提供了新的策略方法,有望為治療癲癇的新化學實體的發現提供幫助。
圖2.DHA調控KA誘導的癲癇模型小鼠腦內的鐵穩態。
該研究工作得到國家自然科學基金面上項目、江蘇省特聘教授計畫、醫藥生物技術國家重點實驗室開放課題等科研專案資助。邵晨雯博士與劉雅妮(博士生)為該論文的共同第一作者,錢勇教授為通訊作者。這項工作得到了南京大學閆超教授、朱海亮教授、趙勁教授、孔令東教授、陳張鵬博士、南京醫科大學秦亞娟博士的大力支持與幫助。
▌論文標題:
3D two-photon brain imaging reveals dihydroartemisinin exerts antiepileptic effects by modulating iron homeostasis
▌論文網址:
https://www.cell.com/cell-chemical-biology/fulltext/S2451-9456(21)00520-1
▌DOI:
https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2021.12.006