《Chemistry & Biology》报道一种新型分子影像学方法

在2014年3月份的Cell系列国际著名期刊《Chemistry & Biology》发表的一篇论文中，麻省理工学院的生物工程学家，采用一种“非常有创意的方法”，来发展基因活动的无创实时成像。

　　

生物通报道：医生通常使用核磁共振成像（MRI）来自诊断肿瘤、中风损伤和其他许多疾病。神经科学家也依赖它作为研究工具，识别执行不同认知功能的大脑区域。另外，磁共振可视纳米基因载体研究获进展。

目前，麻省理工学院（MIT）的生物工程学家尝试在更小尺度上使用MRI，将活体动物大脑内的基因活动可视化。本研究的指导者、MIT生物工程副教授Alan Jasanoff指出，利用MRI跟踪这些基因，将使科学家们对“基因如何控制形成记忆和学习新技”能这样的过程，有更多的了解。

Jasanoff也是MIT麦戈文大脑研究所的会员，他说：“分子影像学的梦想是，在分子水平上提供完整生物体的生物学信息。我们的目标是无须切开大脑，但是能真正看到里面正在发生的事情。”

为了实现这一目标，Jasanoff和同事们开发了一种新方法，能够将一个“报告基因”影像化，这个人造基因可打开或关闭体内的信号事件，很像是一辆汽车仪表板上的指示灯。在这项新研究中，该报告基因编码一种酶，可与注入大脑的造影剂相互作用，使造影剂可被MRI检测。在2014年3月份的Cell系列国际著名期刊《Chemistry & Biology》发表的一篇论文，详细描述了这种方法，可让研究人员能够确定该报告基因在何时何地被打开。

一个开/关开关
MRI使用可与体内质子相互作用的磁场和无线电波，产生体内的详细图像。在大脑研究中，神经学家们通常使用功能MRI来测量血液流动，揭示出大脑执行特定任务期间哪一部分处于活跃状态。在扫描其他器官时，医生有时候会使用磁性“造影剂”，来提高某些组织的可见度。

MIT这种新方法包括一种称为锰卟啉的造影剂和新的报告基因，这个基因编码一种基因工程酶，可改变造影剂上的电荷。Jasanoff及其同事对造影剂进行设计，使其易溶于水，易排出体外，难以被MRI检测。然而，当工程酶（称为SEAP）从锰卟啉上切割磷酸分子时，造影剂变得难溶，并开始在脑组织中积累，使其被检测到。

研究人员曾在胎盘中发现SEAP的自然版本，但是在其他组织中却没有。通过将携带SEAP基因的病毒注入小鼠脑细胞内，研究人员能够将这个基因并入自身基因组。然后，脑细胞开始生产SEAP蛋白，它由细胞分泌并锚定在外表面。Jasanoff称，这非常的重要，因为这表示造影剂不需要穿透细胞就能与酶相互作用。

然后，研究人员注入MRI造影剂，造影剂扩散至大脑，但是仅积累在生产SEAP蛋白的细胞附近，这样就可以查明SEAP在哪里是活跃的。

探索大脑功能
这项研究的目的是检测这种方法，检测系统仅仅揭示出SEAP 基因是否已经被成功并入脑细胞。然而，在未来的研究中，研究人员打算设计SEAP基因，使其只在一个特定目的基因打开时才处于活跃状态。

Jasanoff第一个计划是，将SEAP基因与所谓的“早期直接基因”联系起来，后者对于大脑可塑性——神经元之间的联系减弱或增强，对于学习和记忆至关重要——必不可少。

Jasanoff称：“作为对大脑功能感兴趣的人，我们最想解决的问题是，大脑功能如何改变大脑内基因表达的模式。我们也会想象，在报告酶与神经递质结合时打开和关闭这种酶，这样我们也可以检测神经递质水平的变化。”

约翰霍普金斯大学的放射学助理教授Assaf Gilad没有参与这项工作，但是他指出，MIT团队采用了一种“非常有创意的方法”来发展基因活动的无创实时成像。“这些基因工程报告酶可能会彻底改变我们对于许多生物学过程的理解。”（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
MRI-Based Detection of Alkaline Phosphatase Gene Reporter Activity Using a Porphyrin Solubility Switch
Summary: The ability to map patterns of gene expression noninvasively in living animals could have impact in many areas of biology. Reporter systems compatible with MRI could be particularly valuable, but existing strategies tend to lack sensitivity or specificity. Here we address the challenge of MRI-based gene mapping using the reporter enzyme secreted alkaline phosphatase (SEAP), in conjunction with a water-soluble metalloporphyrin contrast agent. SEAP cleaves the porphyrin into an insoluble product that accumulates at sites of enzyme expression and can be visualized by MRI and optical absorbance. The contrast mechanism functions in vitro, in brain slices, and in animals. The system also provides the possibility of readout both in the living animal and by postmortem histology, and it notably does not require intracellular delivery of the contrast agent. The solubility switch mechanism used to detect SEAP could be adapted for imaging of additional reporter enzymes or endogenous targets.