雙光子200微米腦深層成像首次實(shí)現(xiàn)毛細(xì)血管級(jí)神經(jīng)血管功能閉環(huán)解析
在神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，腦血流精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)是解析神經(jīng)血管耦合機(jī)制的核心挑戰(zhàn)。現(xiàn)有技術(shù)難以區(qū)分不同血管層級(jí)的細(xì)胞調(diào)控作用，尤其無(wú)法精準(zhǔn)定位毛細(xì)血管級(jí)功能單元。本研究通過(guò)雙光子活體成像技術(shù)突破空間分辨率限制，結(jié)合遺傳學(xué)操作，首次揭示小膠質(zhì)細(xì)胞通過(guò)環(huán)氧化酶-1（COX1）調(diào)控毛細(xì)血管基底張力的新機(jī)制，為阿爾茨海默病等腦血管疾病提供了全新干預(yù)靶點(diǎn)。
2Phatal靶向消融技術(shù)：?jiǎn)渭?xì)胞精度操控
基于雙光子激發(fā)的光化學(xué)消融技術(shù)（2Phatal）實(shí)現(xiàn)微米級(jí)空間特異性。
光敏劑加載：Hoechst33342標(biāo)記細(xì)胞核，775nm激光激活局部氧化應(yīng)激；
能量精準(zhǔn)控制：20秒ROI掃描（100μs/像素）選擇性消除目標(biāo)小膠質(zhì)細(xì)胞，相鄰細(xì)胞不受影響。
03多光譜標(biāo)記聯(lián)用：細(xì)胞身份精準(zhǔn)鑒定
過(guò)四通道熒光multiplexing技術(shù)同步解析細(xì)胞身份與功能。
分子標(biāo)記組合：CX3CR1-eGFP（髓系細(xì)胞）+P2RY12（小膠質(zhì)細(xì)胞）+CD206（巨噬細(xì)胞）；
血管動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)：TRITC-葡聚糖（70kDa）標(biāo)記血管腔，Rhodamine示蹤紅細(xì)胞流速。
全局性消除實(shí)驗(yàn)：使用PLX3397藥物清除CSF1R⁺髓系細(xì)胞后，激光散斑對(duì)比成像（LSCI）顯示毛細(xì)血管直徑與紅細(xì)胞通量（red blood cell flux）顯著下降50%。
RNA測(cè)序與免疫組化顯示小膠質(zhì)細(xì)胞是腦內(nèi)COX1表達(dá)最高的細(xì)胞類(lèi)型。通過(guò)誘導(dǎo)性基因敲除（TMEM119creRT2 Ptgs1fl/fl小鼠）實(shí)現(xiàn)小膠質(zhì)細(xì)胞特異性COX1缺失后，毛細(xì)血管直徑與紅細(xì)胞通量顯著降低，表型與全局消除實(shí)驗(yàn)一致。
阿爾茨海默病（AD）毛細(xì)血管收縮機(jī)制解析。
病理關(guān)聯(lián)：AD患者早期即出現(xiàn)毛細(xì)血管收縮，但機(jī)制不明；
技術(shù)驗(yàn)證：通過(guò)雙光子成像發(fā)現(xiàn)AD模型小鼠中，小膠質(zhì)細(xì)胞COX1表達(dá)下降40%，毛細(xì)血管直徑縮小30%。
治療意義：靶向小膠質(zhì)細(xì)胞COX1可逆轉(zhuǎn)毛細(xì)血管收縮，為改善AD腦血流不足提供新策略。
多組學(xué)技術(shù)聯(lián)用：空間轉(zhuǎn)錄組+雙光子成像，解析COX1下游前列腺素信號(hào)通路；
微型化設(shè)備開(kāi)發(fā)：植入式雙光子探針（<1mm³）實(shí)現(xiàn)自由活動(dòng)動(dòng)物長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)；
臨床前試驗(yàn)：小膠質(zhì)細(xì)胞特異性COX1激活劑（如納米載體遞送）驗(yàn)證AD模型療效。
論文信息
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
Mills WA 3rd, Savory NA, Lopez-Ortiz AO, Lentferink DH, González Ibáñez F, Agochi P, Rastegar E, Gupta A, Gupta D, Suram A, Isakson BE, Tremblay MÈ, Eyo UB. Microglial cyclooxygenase-1 modulates cerebral capillary basal tone in vivo in mice. Nat Commun. 2025 Jul 1;16(1):5704.
DOI:10.1038/s41467-025-60753-x.
重要發(fā)現(xiàn)者包括William A. Mills III、Ukpong B. Eyo等團(tuán)隊(duì)，成果以"Microglial cyclooxygenase-1 modulates cerebral capillary basal tone in vivo in mice"于2025年發(fā)表在《Nature Communications》。
技術(shù)原理
01雙光子成像技術(shù)：穿透深度與分辨率突破
傳統(tǒng)激光散斑對(duì)比成像（LSCI）因分辨率限制（>100μm）無(wú)法區(qū)分毛細(xì)血管級(jí)變化。本研究采用雙光子激發(fā)顯微技術(shù)，利用近紅外脈沖激光（波長(zhǎng)870nm）激發(fā)熒光染料，實(shí)現(xiàn)200μm深層腦組織成像，分辨率達(dá)亞微米級(jí)（0.5μm）。
其物理原理在于：
非線性激發(fā)：雙光子吸收效應(yīng)僅在激光焦點(diǎn)處發(fā)生，顯著降低光損傷；
光學(xué)切片能力：通過(guò)Z軸層掃精準(zhǔn)定位毛細(xì)血管（<10μm）與周?chē)?xì)胞的空間關(guān)系。
2Phatal靶向消融技術(shù)：?jiǎn)渭?xì)胞精度操控
基于雙光子激發(fā)的光化學(xué)消融技術(shù)（2Phatal）實(shí)現(xiàn)微米級(jí)空間特異性。
光敏劑加載：Hoechst33342標(biāo)記細(xì)胞核，775nm激光激活局部氧化應(yīng)激；
能量精準(zhǔn)控制：20秒ROI掃描（100μs/像素）選擇性消除目標(biāo)小膠質(zhì)細(xì)胞，相鄰細(xì)胞不受影響。
03多光譜標(biāo)記聯(lián)用：細(xì)胞身份精準(zhǔn)鑒定
過(guò)四通道熒光multiplexing技術(shù)同步解析細(xì)胞身份與功能。
分子標(biāo)記組合：CX3CR1-eGFP（髓系細(xì)胞）+P2RY12（小膠質(zhì)細(xì)胞）+CD206（巨噬細(xì)胞）；
血管動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)：TRITC-葡聚糖（70kDa）標(biāo)記血管腔，Rhodamine示蹤紅細(xì)胞流速。
重要發(fā)現(xiàn)
01小膠質(zhì)細(xì)胞與血管的精準(zhǔn)定位
通過(guò)分子標(biāo)記技術(shù)（CX3CR1-eGFP小鼠模型）結(jié)合免疫熒光染色，研究區(qū)分了小膠質(zhì)細(xì)胞（P2RY12⁺/CD206⁻）與血管周巨噬細(xì)胞（PVMs，P2RY12⁻/CD206⁺）。
關(guān)鍵數(shù)據(jù)：小膠質(zhì)細(xì)胞65%分布于毛細(xì)血管，而PVMs主要位于小動(dòng)脈（64%），毛細(xì)血管覆蓋率僅1%。雙光子成像進(jìn)一步證實(shí)小膠質(zhì)細(xì)胞直接接觸周細(xì)胞（pericytes）和內(nèi)皮細(xì)胞，為其調(diào)控血管功能提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
02光學(xué)成像技術(shù)驅(qū)動(dòng)的功能驗(yàn)證全局性消除實(shí)驗(yàn)：使用PLX3397藥物清除CSF1R⁺髓系細(xì)胞后，激光散斑對(duì)比成像（LSCI）顯示毛細(xì)血管直徑與紅細(xì)胞通量（red blood cell flux）顯著下降50%。
雙光子靶向消融（2Phatal）：特異性消除毛細(xì)血管關(guān)聯(lián)小膠質(zhì)細(xì)胞（CAM）后，局部毛細(xì)血管體積顯著縮小，而相鄰無(wú)CAM區(qū)域無(wú)變化，證明其調(diào)控的局部性。
03COX1酶的核心作用RNA測(cè)序與免疫組化顯示小膠質(zhì)細(xì)胞是腦內(nèi)COX1表達(dá)最高的細(xì)胞類(lèi)型。通過(guò)誘導(dǎo)性基因敲除（TMEM119creRT2 Ptgs1fl/fl小鼠）實(shí)現(xiàn)小膠質(zhì)細(xì)胞特異性COX1缺失后，毛細(xì)血管直徑與紅細(xì)胞通量顯著降低，表型與全局消除實(shí)驗(yàn)一致。
發(fā)展歷程與應(yīng)用場(chǎng)景
01概念提出階段（1990-2010）
1990：Denk提出雙光子顯微原理；
2000：Jung開(kāi)發(fā)CX3CR1-eGFP轉(zhuǎn)基因鼠模型，實(shí)現(xiàn)髓系細(xì)胞活體追蹤。
02儀器迭代階段（2010-2020）
2017：Hill首創(chuàng)2Phatal技術(shù)（《NatureCommunications》），實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞消融；
2022：Mills優(yōu)化顱窗手術(shù)，建立長(zhǎng)期血管動(dòng)態(tài)觀測(cè)模型。
03臨床應(yīng)用探索階段（2020至今）
2025：本研究整合雙光子成像、2Phatal與基因操作（TMEM119creRT2），首次實(shí)現(xiàn)毛細(xì)血管級(jí)神經(jīng)血管功能閉環(huán)解析。
阿爾茨海默病（AD）毛細(xì)血管收縮機(jī)制解析。
病理關(guān)聯(lián)：AD患者早期即出現(xiàn)毛細(xì)血管收縮，但機(jī)制不明；
技術(shù)驗(yàn)證：通過(guò)雙光子成像發(fā)現(xiàn)AD模型小鼠中，小膠質(zhì)細(xì)胞COX1表達(dá)下降40%，毛細(xì)血管直徑縮小30%。
治療意義：靶向小膠質(zhì)細(xì)胞COX1可逆轉(zhuǎn)毛細(xì)血管收縮，為改善AD腦血流不足提供新策略。
挑戰(zhàn)與展望
01臨床轉(zhuǎn)化障礙
穿透深度限制：雙光子技術(shù)對(duì)>500μm深部腦區(qū)（如海馬）成像仍困難；
運(yùn)動(dòng)偽影干擾：呼吸與心跳導(dǎo)致微米級(jí)位移，需開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法；
人腦適配性：人顱骨厚度阻礙光學(xué)穿透，亟待開(kāi)發(fā)非侵入式近紅外II區(qū)成像。
多組學(xué)技術(shù)聯(lián)用：空間轉(zhuǎn)錄組+雙光子成像，解析COX1下游前列腺素信號(hào)通路；
微型化設(shè)備開(kāi)發(fā)：植入式雙光子探針（<1mm³）實(shí)現(xiàn)自由活動(dòng)動(dòng)物長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)；
臨床前試驗(yàn)：小膠質(zhì)細(xì)胞特異性COX1激活劑（如納米載體遞送）驗(yàn)證AD模型療效。
論文信息
聲明：本文僅用作學(xué)術(shù)目的。
Mills WA 3rd, Savory NA, Lopez-Ortiz AO, Lentferink DH, González Ibáñez F, Agochi P, Rastegar E, Gupta A, Gupta D, Suram A, Isakson BE, Tremblay MÈ, Eyo UB. Microglial cyclooxygenase-1 modulates cerebral capillary basal tone in vivo in mice. Nat Commun. 2025 Jul 1;16(1):5704.
DOI:10.1038/s41467-025-60753-x.
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