瓶颈与挑战：

钙离子几乎在所有细胞的信号转导中都是必不可少的，它们协调从胚胎发育开始到神经功能形成的各个过程。虽然用于探测细胞内钙成像的光学探针已经有几十年的应用历史，但是开发无创性的用于检测深部组织和完整生物体中细胞内钙信号的探针仍然是一个挑战。

针对Ca2+，利用钆配合物或超顺磁性氧化铁纳米粒子探针已经取得了很大进展。这些探针将不同的钙浓度转化为纵向(T1)或横向(T2)弛豫速率的变化，可以分别通过T1或T2加权相来观察。虽然已经有检测体内细胞外钙离子的变化的技术，但由于难以将现有的呈极性或体积较大的MRI钙感应物质传递到细胞中导致获取细胞内钙离子的难度更大。

在静息状态下，神经元的钙含量很低。然而，当它们发出电脉冲时，钙就会大量涌入细胞。在过去的几十年里，科学家们已经设计出通过荧光分子标记钙来成像这种活动的方法。这可以在实验室培养皿中培养的细胞中进行，也可以在活体动物的大脑中进行，但这种显微镜成像只能穿透组织的零点几毫米，将大多数研究局限在大脑表面。打破瓶颈- ManICS1-AM进入细胞内

许多科学家一直在研究基于磁共振成像的钙传感器，但主要的障碍是开发一种可以进入脑细胞的造影剂。去年，来自麻省理工学院的Jasanoff团队开发了一种MRI传感器，可以测量细胞外钙的浓度，但是这种传感器是一种纳米颗粒，由于体积太大而不能进入细胞内。为了制造新的细胞内钙传感器，研究人员使用了可以穿过细胞膜的特殊复合物。

遵循构建荧光钙成像染料的设计原则，可以制备出一种成功的MRI细胞内钙传感器。这些指示剂都包括一个可渗透的芳香族荧光团，并与来自BAPTA的钙结合部分（即钙螯合物）共同发挥作用。尽管BAPTA亲水，有不通透膜的特性，但它可以被AM酯化修饰，生成呈中性、无活性的化合物，易于内化到细胞中。AM酯化后，在细胞内酯酶的催化下水解。这个过程将探针固定在细胞溶胶中，恢复它们感知钙的能力。新型MRI造影剂含有锰，锰与磁场作用微弱，其与上述有机化合物结合在一起。一旦进入细胞内，如果钙离子水平较低，钙螯合物就会与锰微弱结合，从而保护锰不受MRI检测。当钙离子流入细胞时，螯合剂与钙离子结合并释放锰离子，这使得造影剂在MRI图像中显得更亮。当神经元或其他被称为神经胶质的脑细胞受到刺激时，它们的钙浓度通常会增加十倍以上。

这种以锰为基础的顺磁造影剂-ManICS1-AM可以渗透进入细胞，进行酯酶切割，并允许通过MRI监测细胞内钙水平。这种方法基于MRI这一独特而强大的神经成像技术，将深度穿透、相对较高的三维空间分辨率和对多种敏感的对比成像相结合起来，可以让他们更深入地观察大脑。在啮齿动物的大脑中灌注ManICS1-AM，进一步使得基于MRI成像的方法能够测量光学探针无法到达的大脑区域。这是一种非侵入性技术，通过检测注入造影剂与细胞内水分子之间的磁性相互作用来工作。精准测量

Jasanoff说:“这些工具可以做很多令人惊奇的事情，但是我们想让我们自己和其他人更深入地研究细胞水平的信号。”

研究人员将传感器注射到老鼠的纹状体中进行测试，纹状体是大脑深处的一个区域，负责计划运动和学习新行为。然后他们用钾离子刺激纹状体神经元的电活动，并能够测量这些细胞的钙反应。Jasanoff希望利用这项技术来识别与特定行为有关的小簇神经元。因为这种方法可以直接测量细胞内的信号，它可以提供比传统的功能磁共振成像(fMRI)更精确的关于神经元活动的空间和时间定位。他说：“这可能有助于弄清楚大脑中的不同结构是如何协同工作来处理刺激或协调行为的。”

此外，由于钙有许多其他的作用，比如促进免疫细胞的激活等。经过进一步的改进，将来这一技术还可以用于对大脑或其他依赖钙的器官(如心脏)进行诊断成像。

图1 ManICS1-AM检测大鼠脑内神经激活

a：磁共振t1加权成像显示，注射15ｕL ManICS1(左)或钙不敏感对照剂(右)到大鼠纹状体后显示广泛的对比度增强。上标的坐标位置以前囟位置为0点。

b：四只动物灌注ManICS1-AM后信号增强10%的峰值时内ManICS1-AM估计量 (平均值= 36±7ｕL)。

c：相对于未增强的组织的图像强度，ManICS1-AM灌注脑区的MRI信号峰值随时间显示平均平均每小时信号增强20±2%, 0.9%的信号减少 (红色);注射后30 ~ 90分钟信号下降无统计学意义(t检验p = 0.42, n = 6)。

d：1ｕL K+输注导致t1加权MRI信号在预先输注ManICS1-AM (左)而不是MnL1F(右)存在时增加。多个动物的平均峰值信号变化(n = 5)是通过叠加在一只大鼠的高分辨率t1加权图像上的颜色标度来表示的。标尺= 3 mm。

e：表示在ManICS1-AM (分别为红色和青色)存在K+或Na+时，以及在钙不敏感的MnL1F(蓝色)存在K+刺激(垂直灰色条)时观察到的信号变化的时间进程。各组上下曲线组成的淡染区域表示标准误。

f：MRI信号变化观察不同个体在K+或Na+条件处理1分钟内的变化。在ManICS1-AM灌注组接受钾刺激过程中观察到的平均信号变化显著大于两组对照(t检验p≤0.016,n=5)。

这项研究由美国国立卫生研究院和麻省理工学院西蒙斯社会大脑中心共同资助。

参考文献：Barandov A, Bartelle BB, Williamson CG, et al. Sensing intracellular calcium ions using a manganese-based MRI contrast agent[J]. Nat Commun, 2019, 10(1): 897. doi: 10.1038/s41467-019-08558-7

编译：文钊（brainnews创作团队成员）

校审/排版：Simon（brainnews编辑部）

相关文章