Jiangyue Zhang|Taojie Pan|Jiayu Zhang|Yang Gu|Zhanpeng Zhu|Xiaoyu Zhong|Jie Wang|Yuchen Li|Xinke Gao|Jingyi Wang|Jiayi Li|Yulu Lin|Li Wang|Yanfei Han|Kun Zhang|Ping Yu|Kun Yin|Xu Wang|Yajun Zhang|Peng Zhang
上海交通大学医学院基础医学科学学院药理学与化学生物学系，中国上海200025
摘要
基因编码的荧光传感器（GEFS）在分子诊断和实时神经成像领域取得了革命性的进展。通过将神经递质识别域与荧光报告蛋白结合，GEFS能够以毫秒级的时间精度和亚细胞级的空间分辨率直接可视化神经化学信号。最近在周质结合蛋白（PBP）和G蛋白偶联受体激活（GRAB）架构方面的创新，产生了对多巴胺、血清素、乙酰胆碱、谷氨酸、γ-氨基丁酸等神经调节剂具有优异亮度、动力学和特异性的传感器。将这些传感器与电生理学、多光子成像、介观成像以及机器学习分析技术相结合，可以将分子信号与健康和疾病状态下的神经回路功能联系起来。在阿尔茨海默病、癫痫、自闭症谱系障碍和成瘾模型中的应用，凸显了它们作为神经传递和治疗反应动态生物标志物的实用性。新兴的红移探针、非病毒递送系统以及人工智能辅助分析方法，正在推动GEFS向定量、临床相关的神经化学成像和精准医疗方向发展。
引言
分子诊断技术通过能够在分子水平上精确检测疾病，支持早期干预、实时监测和个性化治疗，从而改变了现代医学。传统的检测方法（如核酸测序、蛋白质组学和代谢组学）只能提供疾病状态的静态快照。然而，在神经系统疾病中，由于神经传递的动态特性、复杂的时空信号传导机制以及症状出现前的漫长临床前阶段，诊断挑战更加突出。因此，迫切需要能够监测活体系统中实时神经化学动态的工具，以将分子变化与功能结果联系起来。
用于神经递质的基因编码荧光传感器（GEFS）是一类强大的新型诊断和研究工具。通过将神经递质识别域与荧光报告蛋白连接起来，GEFS能够以毫秒级的时间分辨率和亚细胞级的空间精度直接实时可视化神经递质的释放和信号传导[1],[2]。与传统检测方法或微透析不同，GEFS可以在特定细胞类型中表达，靶向特定的脑区，并与先进的成像技术或电生理学方法集成，使其成为基础神经科学工具和下一代脑疾病分子诊断平台的潜在候选者。
在过去二十年中，蛋白质工程技术的进步催生了多种GEFS工具，包括基于FRET/BRET的设计、周质结合蛋白（PBP）衍生的传感器以及G蛋白偶联受体激活（GRAB）传感器。这些传感器在亲和力、动力学、亮度和特异性方面得到了优化，可用于检测多巴胺[3],[4],[5],[6]、血清素[7],[8],[9]、乙酰胆碱[10],[11],[12]、谷氨酸[13],[14]、γ-氨基丁酸（GABA）[15]、去甲肾上腺素（NE）[16],[17]和神经肽[18],[19],[20]。除了基础神经科学研究外，GEFS还应用于阿尔茨海默病、帕金森病、抑郁症、癫痫和物质使用障碍的模型中，为疾病进展和治疗反应提供了动态的分子生物标志物。
本综述旨在根据标准化指标（灵敏度、动态范围、动力学、亮度和体内性能）比较不同类型的传感器，并讨论在复杂生物环境中选择性和交叉反应性的实际考虑因素。此外，GEFS正越来越多地与多模态诊断平台（包括电生理学、光纤光度测量、多光子成像和基于机器学习的图像分析）集成，将分子信号与神经回路活动和行为联系起来，为药物发现、临床前筛选和精准医疗的应用奠定基础。因此，基因编码的荧光神经递质传感器在分子诊断和实时脑成像之间架起了桥梁，具有实现早期疾病检测、个性化治疗和闭环干预的潜力。
分子结构：配体结合域 + 荧光域
用于神经递质的GEFS由两个功能模块组成：一个具有特定神经递质化学特异性的配体结合识别域，以及一个将结合转化为光学信号的荧光报告域[21]。当配体结合时，识别域会发生构象变化，将目标浓度转化为可测量的信号。这些信号的检测范围通常涵盖生理相关的浓度区间。
健康与疾病中的实时神经递质成像
基因编码的荧光传感器（GEFS）通过实现实时、体内的神经递质动态监测（时间精度达到毫秒级，空间分辨率达到亚细胞级别），彻底改变了神经科学领域。这些传感器能够捕捉快速的神经化学事件，并在特定的细胞类型和脑区内解析神经递质的释放情况，为了解神经回路功能和神经调节控制提供了直接见解。当与电生理学等互补方法结合使用时，
整合、临床前应用和转化潜力
将基因编码的荧光传感器（GEFS）与互补的分析和分子平台集成，使其从基础机制工具发展成为转化和诊断技术[64]。现在，实时神经递质成像可以直接与电生理学、光遗传学、人工智能（AI）和干细胞衍生模型（图3a-f）结合，构建出将分子信号与系统层面联系起来的多维框架。
挑战、限制和临床转化的未来方向
尽管取得了显著进展，但将基因编码的荧光传感器（GEFS）从实验室发现转化为临床应用仍受到技术、生物学和监管障碍的限制。不过，光学工程、分子设计、分析和基因递送技术的快速发展正在逐步缩小这一差距，使GEFS成为临床诊断和治疗的现实候选者（图4a-d）。
结论
基因编码的荧光神经递质传感器（GEFS）已经发展成为多功能工具，能够以细胞和毫秒级的精度揭示大脑中的化学物质。通过体内可视化神经递质信号传导，这些探针提供了功能性的生物标志物，将分子神经科学、神经回路科学和行为神经科学统一起来，其应用范围远远超出了传统电生理学或静态成像的能力。
要实现其全部临床潜力，还需要开发出
CRediT作者贡献声明
Jiayi Li：撰写 – 审稿与编辑、验证。
Peng Zhang：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取、概念构思。
Yulu Lin：撰写 – 审稿与编辑。
Jiangyue Zhang：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写。
Li Wang：撰写 – 审稿与编辑。
Taojie Pan：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化。
Xu Wang：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、监督、项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了“上海2023年科技创新行动计划”自然科学基金项目（23ZR1436800）、上海交通大学跨学科项目（项目编号YG2024ZD02）、国家自然科学基金项目（82204349 & 82102184）、上海高水平地方大学建设项目（PT21011 & ZXY24006）、国家中医药管理局重点中医药学科建设项目（ZYYZDXK-2023070）等的支持。
