星形胶质细胞是哺乳动物中枢神经系统（central nervous system，cns）中含量最丰富、分布最广、胞体最大的一种神经胶质细胞。星形胶质细胞具有多种重要的生物学功能，其功能异常参与多种疾病的致病过程。然而，星形胶质细胞形态不均且高度复杂，在同一脑区或不同脑区之间均有不同，且在生理和病理状态下也是动态变化的。因此，全脑维度无损检测并跟踪星形胶质细胞动态变化的相关技术研发迫在眉睫。研究团队通过整合重组腺相关病毒载体（raav）和磁共振成像活体检测的优势，逐步在细胞水平、脑区水平及全脑水平实现星形胶质细胞的活体无损检测（图1）。
自2016年起，研究团队联合磁共振成像与病毒基因改造技术，率先提出一种新型基因编码生物磁共振成像技术，逐步实现神经元网络（neuroimage，2019；human brain mapping，2021）和星形胶质细胞（molecular psychiatry，2022）在体水平的无创检测。其中，raav是近年来发展极为迅速的一类工具病毒，是研究神经科学相关问题和基因治疗的重要载体。该团队首先对raav工具病毒的衣壳蛋白进行突变改造，并利用人类胶质纤维蛋白的启动子gfap构建raav载体，提升了病毒工具在星形胶质细胞的转导效率（图2）。
水通道蛋白（aquaporin，aqp）是一组高度保守的跨膜转运蛋白，对水具有高度选择通透性。过表达aqp1蛋白可产生弥散加权成像（diffusion-weighted imaging，dwi）信号的改变，因而水通道蛋白基因可作为磁共振成像报告基因。研究团队进一步对病毒载体raav2/5和raav2/php.eb进行优化改造，使其同时携带水通道蛋白报告基因和荧光元件，构建了新型工具病毒，逐步实现脑区和全脑水平的星形胶质细胞的无创活体成像。在全脑成像研究中，该团队构建可高效通过血脑屏障的新型raav2/php.eb-aqp1-egfp工具病毒，利用尾静脉注射技术将该病毒注入小鼠体内，在病毒表达两周和三周后分别进行mri活体成像，并且利用荧光成像对活体成像效果进行评估（图3）。研究结果显示，该新型基因编码生物磁共振成像技术不仅可实现星形胶质细胞的活体全脑成像，而且其成像时间适用于常用的光遗传学、药理遗传学相关研究。
全脑维度星形胶质细胞检测技术的开发将有助于加强对星形胶质细胞功能的理解，提升对其在调控整个中枢神经网络中的认识，为研究神经系统疾病的致病机制和治疗靶点提供了新思路。另外，该技术可应用到疾病模型小鼠相关的星形胶质细胞异常的机制研究中，为此类疾病的早期预防起到重要作用。
该研究以in vivo imaging of astrocytes in the whole brain with engineered aavs and diffusion weighted magnetic resonance imaging为题发表在molecular psychiatry上。相关研究工作获得国家自然科学基金等项目的支持。
全脑无损检测星形胶质细胞的研究策略
aav病毒载体突变位点示意图及重组改造后特异性标记星形胶质细胞效果
活体全脑星形胶质细胞成像及其荧光成像效果验证
研究团队单位：精密测量科学与技术创新研究院
