近日，国际学术期刊《eLife》在线发表题为“Chronic Ca2+imaging of cortical neurons with long-term expression of GCaMP-X”的研究论文。该工作由北京航空航天大学生物医学工程高精尖创新中心刘晓冬教授课题组联合樊瑜波教授团队与合作者共同完成。钙动态的长期监测对于神经科学等领域意义重大，但在实际应用中，由于常用基因编码钙离子荧光探针GCaMP具有细胞毒性而受到多方面的限制。基于刘晓冬课题组此前自主设计开发的改进版钙探针GCaMP-X（Nature Communications 2018,DOI:10.1038/s41467-018-03719-6），此项工作进一步展示了GCaMP-X优于GCaMP的神经元相容性，实现了离体培养神经元（共聚焦）和活体小鼠大脑皮层（双光子）的长时程GCaMP-X成像，定量揭示了自发钙振荡与神经元形态发育的紧密关联，为神经科学及相关领域的长期钙成像提供了简便而有效的新方案。
在皮层神经元中，自发性钙振荡（主要来源为L型钙通道的钙离子内流）调控神经元突起的生长，称为通道钙动态-神经元发育耦联（Communications Biology 2022,DOI:10.1038/s42003-022-03438-1）。GCaMP与L型钙通道意外结合进而干扰上述耦联，长期（高）表达GCaMP最终造成了神经元明显的损伤。本工作聚焦于自发钙振荡与神经元形态之间的关联，遵循本实验室此前GCaMP-X探针的“理性设计”原则，利用“分子内保护片段”克服了传统GCaMP的弊端，实现了长时程GCaMP-X在体/离体成像。首先，利用病毒导入和药物诱导转基因表达，GCaMP-X长期表达（4周）于皮层神经元，揭示出局部自发钙活动会随新生神经元发育成熟的过程逐步发展成为全局同步钙振荡；长期表达GCaMP-X的神经元与对照组健康神经元无统计学差异，据此对发育全程的振荡幅值、频率及突起生长速率等关键指标进行了定量分析，为相关研究领域提供了基础性的信息。与以上离体数据一致，活体成像获得的自发钙波及触须钙响应数据也支持GCaMP-X在神经元相容性等方面优于传统钙探针。
附图.基于GCaMP-X长时程钙成像定量分析钙通道活动-神经元突起生长耦联
北京航空航天大学为本论文的第一完成单位。本论文的共同第一作者为北京航空航天大学博士生耿金丽、清华大学（已毕业）博士生汤颖君、北京航空航天大学博士生于振，刘晓冬组已毕业硕士生高蕴溟和黎文祥也对本项研究做出了重要贡献。本文的通讯作者是刘晓冬教授（北航）、郭增才研究员（清华）及杨亚雄副教授（北航樊瑜波教授团队）。本研究得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金及北京市生物医学工程高精尖创新中心的支持。