神经调质如多巴胺（DA）通过与乙酰胆碱（ACh）、5-羟色胺（5-HT）等互作调控脑功能，但现有荧光传感器局限于绿/红光范围，难以实现多色同步成像。2025年6月5日，北京大学李毓龙实验室联合国内外多个团队，在Science杂志在线发表了题为“In vivo multiplex imaging of dynamic neurochemical networks with designed far-red dopamine sensors”的文章，研究开发了一种远红光多巴胺探针HaloDA1.0，其结合了cpHaloTag化学染料和GRAB策略，具备高灵敏度、亚秒级响应动力学及远红至近红外光谱范围。HaloDA1.0 可与现有红绿荧光传感器联用，在培养神经元、脑片和行为动物中实现多巴胺与其他神经调质及钙离子、cAMP的多色成像，揭示了多巴胺在神经化学网络中的动态互作机制，为解析复杂脑功能提供了新工具。

研究团队将人D1受体（D1R）的第三胞内环（ICL3）替换为优化的环形排列HaloTag蛋白（cpHaloTag），结合远红光染料（主要是JF646），通过筛选2000多个变体，优化插入位点、linker序列及关键氨基酸残基，成功开发了远红光多巴胺探针GRABHaloDA1.0（简称为HaloDA1.0）。体外验证HaloDA1.0在HEK293T细胞中定位于质膜，加入DA后荧光强度瞬时升高，最大荧光变化（ΔF/F₀）约900%，半最大有效浓度（EC50）为150 nM。通过测试多种罗丹明衍生物，发现不同染料可调节传感器光谱、响应强度和亲和力。随后，研究团队表征了HaloDA1.0在HEK293T细胞和培养的神经元中表达时的药理学特性，动力学以及与下游通路的偶联，结果显示该传感器对DA具有高灵敏度和特异性，具有快速响应动力学，且不与下游信号通路偶联。重要的是，在培养神经元中同时表达HaloDA1.0（远红光）、红色5-HT传感器（r5-HT1.0）和绿色NE传感器（NE2m），成功实现三种单胺类神经递质的实时同步监测，信号间无显著串扰。

2.HaloDA1.0可在急性脑切片和斑马鱼中实现多重成像

为评估HaloDA1.0是否可以检测内源性DA释放，将表达HaloDA1.0的AAV注射至小鼠NAc，3周后制备急性脑片，经JF646染料标记后，通过电刺激诱发DA释放。结果显示20 Hz电刺激可触发HaloDA1.0荧光强度快速升高，响应幅度与刺激脉冲数正相关，单个脉冲即可检测到DA释放；使用D1R拮抗剂SCH可完全阻断荧光信号，证实信号源于内源性DA释放。在NAc共注射表达HaloDA1.0、rACh1h和eCB2.0的AAV，能够灵敏报告电刺激引起的多巴胺、乙酰胆碱和内源性大麻素的内源动态变化，揭示了三者差异化的释放动力学特征。此外，研究团队还构建了同时表达绿色ATP探针、红色钙探针和远红HaloDA1.0探针的转基因斑马鱼。结合三色成像，研究人员在斑马鱼电击刺激和癫痫样行为过程中，实时观察到多巴胺、胞外ATP及神经元钙信号呈现同步化的释放或活动，并且三者在信号消退阶段表现出不同的下降速率。

在小鼠体内使用基于cpHaloTag的传感器需要将染料递送到小鼠大脑，为了优化HaloDA1.0的性能，研究团队在体内系统地比较了各种远红染料。在VTA中表达视紫红质-2，并在NAc中表达了HaloDA 1.0，其接收来自VTA的密集多巴胺能投射。在小鼠VTA注射表达光遗传学激活蛋白ChR2的AAV，同时在NAc或mPFC表达HaloDA1.0，通过尾静脉注射不同远红光染料标记传感器，利用光纤记录DA动态。结果显示，SiR650标记的HaloDA1.0探针可以在多巴胺能神经元投射丰富的伏隔核和投射稀少的大脑皮层，均能特异性检测光遗传激活多巴胺神经元引起的多巴胺释放。进一步地，研究团队利用三光纤同步记录小鼠在自发活动、糖水奖赏、足部电击和可卡因注射条件下，DA、ACh和D1中型多棘神经元（D1-MSN）内cAMP动态。结果显示在生理行为过程中，多巴胺与乙酰胆碱通过协同作用对cAMP进行调控，然而在可卡因刺激条件下，二者对cAMP的调控呈现拮抗效应。

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