东方时讯网杜克大学和阿尔伯特爱因斯坦医学院的生物医学和基因工程师设计了一种小型荧光蛋白，可以发射和吸收深入生物组织的光。这种蛋白质针对近红外(NIR)光谱中的波长量身定制，可以帮助研究人员捕获更深入、更清洁、更精确的生物医学图像。
用光对深层组织成像具有挑战性。可见光通常会被体内的结构和分子迅速吸收和散射，从而使研究人员无法看到组织内超过一毫米的深度。如果他们设法进一步探测，胶原蛋白或黑色素等物质通常会使图像变得模糊，通过它们的自然荧光产生相当于背景噪音的物质。正如作者所解释的那样，“由于血红蛋白和黑色素的吸收以及组织散射，生物组织在可见波长范围(350-700nm)内具有强烈的光学衰减，这从根本上限制了高分辨率的成像深度。光学技术。”
为了走出这些浑水，Yao和合作者、阿尔伯特·爱因斯坦医学院遗传学教授VladislavVerkhusha博士开发了一种蛋白质，它可以吸收和发射近红外(NIR)光谱中更长波长的光。“组织在近红外光的700-1300nm窗口中是最透明的，”Yao说。“在这些波长下，光可以更深入地渗透到组织中，并且由于要过滤掉的自然背景荧光较少，我们可以进行更长时间的曝光并捕获更清晰的图像。”
Verkhusha和他的实验室使用一种称为定向分子进化的过程来设计他们的蛋白质，使用通常在细菌中发现的光感受器作为结构的基础。“最先进的NIRFP是由细菌光敏色素光感受器(BphP)设计而成的，”该团队指出。“应用合理设计，我们开发了17kDa基于蓝藻色素的近红外(NIR-I)荧光蛋白miRFP718nano。”
这些感光器对成像研究很有用，因为当受到特定波长的光照射时，它们可以在静默和活跃状态之间切换。它们可以与胆绿素结合，胆绿素是一种在哺乳动物和人体组织中大量出现的生物分子。
“我们研究了胆绿素的结构，以确定光感受器如何最好地附着在生物分子上，”Verkhusha解释说。“在我们了解了结合过程之后，我们小心地引入了与胆绿素相连的分子关键部分的取代，以增加电子结合，这是获得红移荧光所必需的。最后，我们进行了随机诱变，然后进行高通量筛选，这样蛋白质就会进化并增加它们的亮度。”
他们开发的最亮的蛋白质tmiRFP718nano很容易在细胞和组织中产生，并发出可见光范围之外的光。但是，虽然NIR激活本身是有帮助的，但在最初的活性爆发之后发生的事情对生物医学成像更有希望。
“我们已经看到NIR范围可以分为两个主要区域，”Yao解释道。“当NIR光首次照射这些蛋白质时，它们会在第一个区域发光，该区域约为700-900nm。但随着它们衰变，波长逐渐变长，就像彗星后面的尾巴。那时他们开始在第二个NIR区域发光，即900–1300nm。”
在第二个区域，使用较短波长的区域一近红外光的所有好处都得到了增强：光可以穿透组织两倍的深度，背景荧光显着变暗，图像分辨率可以清晰两到三倍，从而获得详细的图像复杂的结构。
作为概念验证，Yao和他在杜克大学的团队使用一种称为短波红外(SWIR)的成像技术来测试新蛋白质的功效。这个过程将NIR区域一光发送到组织深处以激活荧光蛋白。随着蛋白质的衰变，它们会发出近红外二区光，提供有关目标组织和细胞的结构和组成的信息，这些信息可以转化为高分辨率图像。“与NIR-I窗口不同，生物组织在SWIR窗口中具有相对较弱的自发荧光和光散射，因此增加曝光时间可以提高图像对比度，而不会产生强烈的背景信号或使目标模糊……miRFP718nano在NIR-I和SWIR窗口不提供外源胆绿素发色团，具有很高的蛋白质稳定性，
在将工程化的miRFP718nano蛋白引入他们的动物模型后，该团队使用它们来捕捉小鼠消化道中的微生物图像，可视化小鼠乳腺中的细胞，甚至追踪小鼠肝脏中炎症的变化。与使用标准NIR区域一成像蛋白制作的图像相比，捕获的所有图像都更清晰、更详细。“miRFP718nano在NIR-I和SWIR范围内的比较证明了其在SWIR窗口中的卓越性能，例如更大的穿透深度、更高的空间分辨率和对比度以及更高的检测灵敏度，”研究人员表示。“我们证明了miRFP718nano支持的SWIR成像优于小鼠消化道微生物的NIR-I成像，
Yao和Verkhusha乐观地认为，他们的持续合作将有利于他们在生物医学成像和蛋白质工程方面的工作。随着Verkhusha继续完善和改进荧光蛋白和生物传感器，Yao很高兴能够使用新工具更近距离地观察大脑并追踪癌细胞的运动。“这是我们长达十年合作的令人兴奋的新前沿，因为我们可以使用成像工具来指导蛋白质工程决策，并且我们可以使用先进的蛋白质工程来提高成像能力，”Yao说。
在他们的论文中，研究人员得出结论，“与NIR荧光染料相比，miRFP718nano可以通过基因编码在组织中特异性表达，不需要复杂的外源性递送，并且具有用于纵向研究的高生物相容性。”