抗过敏药缘何引起嗜睡?北大李毓龙团队开发新型GRAB探针解析睡眠觉醒过程中组胺动态变化

抗过敏药缘何引起嗜睡?北大李毓龙团队开发新型GRAB探针解析睡眠觉醒过程中组胺动态变化

作者:RWD
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组胺(Histamine, HA)是一种重要的单胺类分子,主要分布于中枢神经系统、免疫系统和胃肠道系统中。组胺在体内发挥了多种生理作用,比如:可以作为一种神经递质来调节神经元的活动;也可以调节血管张力、促进胃酸分泌、增强免疫力等;还可以用于治疗胃溃疡、哮喘等疾病;此外,组胺还是一种重要的过敏介质,当人体免疫系统对某些物质过敏时,会释放大量的组胺,导致过敏反应。在大脑中,组胺能神经元主要存在于下丘脑结节乳头体核(tuberomammillary nucleus, TMN)并投射到大脑其它区域。组胺能信号参与了睡眠觉醒、学习记忆以及摄食等多个生理过程的调节,但是由于缺少可精细分析体内组胺分子动态变化的工具,组胺参与的这些生理过程的分子调控机制尚不清楚。

2023年3月15日,北京大学李毓龙实验室在《Neuron》杂志发表了题为"Genetically encoded sensors for measuring histamine release both in vitro and in vivo"的研究论文。在该研究中,作者开发了一种新型高性能基因编码的组胺探针GRABHA。利用该探针,作者成功地记录到了脑切片组织中内源组胺的秒级释放,并实现了对睡眠觉醒过程中组胺动态变化的在体监测。该探针为组胺的生理病理机制研究提供了强大的工具。



尽管组胺在体内的生理和病理过程中发挥着重要作用,但是由于现有检测方法的局限性,已有的研究对于组胺在各种行为过程中释放的时空动力学仍然知之甚少。近年来,基于GRAB策略(GPCR-Activation Based Sensor),作者团队已经成功开发了一系列具有高灵敏度、高选择性和高时空分辨率的基因编码的分子探针,用于检测体内各种神经递质或神经调质的精细变化情况。沿用这一策略,在本研究中,作者基于人源H4R组胺受体和水熊虫H1R组胺受体,分别开发出一对能够精细测量细胞外组胺的基因编码的荧光探针GRABHA1h和GRABHA1m。该探针具有高度的特异性(只对组胺响应,并可被相应拮抗剂阻断),快速的动力学(亚秒量级)、以及显著的荧光信号响应(ΔF/F0: ~300%-500%)。


图1.新型高性能组胺荧光探针的开发

图1.新型高性能组胺荧光探针的开发

为了验证上述开发探针是否可以检测内源组胺的释放,作者首先在小鼠急性脑片中进行了测试。在前额叶皮层(prefrontal cortex, PFC)表达了GRABHA1m探针的急性脑切片中,作者成功地记录到电刺激引起的组胺的秒级实时释放以及扩散,表明该探针可以高时空分辨率的检测内源组胺的释放。随后,作者进一步将该探针应用到活体动物中用于监测睡眠相关的组胺动态变化。结合脑电肌电记录,作者观察到小鼠在快速眼动睡眠(REM)或非快速眼动睡眠(NREM)向觉醒转换过程中,视前区(preoptic area, POA)组胺信号升高;在觉醒向NREM转换和NREM向REM转换过程中,POA组胺信号下降。并且,作者还观察到:在同一睡眠时相,不同睡眠调控脑区(PFC和POA)组胺信号的大小是一致的;但是在睡眠时相转换时,不同脑区组胺信号的动力学存在差异,提示组胺信号的调节在不同脑区存在差异。


图2. GRABHA1m可实时监测自由行为小鼠睡眠-觉醒周期中POA中的组胺动态变化

图2. GRABHA1m可实时监测自由行为小鼠睡眠-觉醒周期中POA中的组胺动态变化

综上,这项工作所开发的组胺荧光探针凭借其高灵敏度、高选择性和快速动力学等性能,能够可靠、特异地检测体外和生理条件下自由行为动物体内组胺的精细变化,该新型组胺荧光探针将成为组胺的生理病理以及药理学机制研究的强大工具。

文章原文链接:https://doi.org/10.1016/j.neuron.2023.02.024
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