开发一个共振传感器以侦测细胞内的氧化还原动力学的即时影像

在六月份《实验生物及医学》(Experimental Biology and Medicine) 期刊刊登的文章中，伊利诺大学基因体生物学研究所的跨领域研究团队Kolossov, Spring以及同事们将氧化还原敏感的绿色荧光蛋白（GFPs）的概念，转化为定量福斯特共振能量转移（FRET）的成像平台。以FRET为基础的感应器的原理主要是应用氧化还原反应引起氧化还原敏感开关的构象变化，改变连接在这个开关的两个荧光蛋白（供体和受体）间的距离，从而产生可被检测的共振效率之改变。在氧化状态下，感应器的荧光散射波长光谱红移（由于受体荧光增加），这和局部感应器浓度变化或是激发光的强度无关。本研究的关键合作者，也是生物科学界发展光学显微镜新颖应用的先锋之一的Robert Clegg博士进一步解释：「FRET基础的感应器克服了一般以荧光强度为基础的影像方法所衍生的障碍，因为只有能量转移的效率改变时，FRET受体分子的荧光才会增加。FRET的这种特异性和可区别性的特征，是推动我们发展以共振为基础，而不是只依赖单一组成的荧光强度变化作为分析方法的主要动机之一。」

这篇论文是根基于作者们先前的工作。他们先前已建立了一系列的FTRET供体和受体荧光蛋白在氧化还原敏感开关的两侧。正如本文共同作者Vladimir Kolossov所言：这个研究最主要的突破在于改进光讯号的动态范围，也就是说加强了氧化态和还原态之间的讯号差。增加光讯号的动态范围使得探针更容易区别复杂的生物样品中的氧化还原状态。此外，新探针中较高的氧化中点电位是一个用来侦测哺乳类细胞中谷胱甘肽氧化还原电位的理想工具。

负责领导这个计画的Rex Gaskins博士指出：「以FRET为基础的策略有以下的优点：（1）能够量化氧化还原状态的变化，（2）不依赖感应器的浓度，（3）模块化设计，可以藉由改变开关或模块的荧光探针而精确地调整氧化还原敏感性和量测范围。我们预计，新开发的氧化还原敏感性探针可能是至关重要的一个工具来协助我们了解化疗药物和氧化剂的药理和毒理反应。」

最近，另外一个实验室也发展了一个以氧化还原敏感的萤光蛋白（roGFP）为基础的新颖位差量测探针。利用roGFP感应器来量测需要有两组被不同波长激发出来的萤光影像强度。利用两组巯基在双硫键形成/裂解的的氧化还原态之下，roGFP所产生的最大激发光波长来求其比值。共同作者Bryan Spring说：「roGFP和FRET两种感应器有完全相反的特性。 FRET感应器的优势在于可以用来作为活体显微镜的研究，因为只需要单一的雷射光。相反的，roGFP需要两道雷射光做连续扫瞄，如此便减缓了影像的撷取，而且两种不同波长的雷射光所造成的组织散射强度也必须在影像中加以校正，以减少误差。此外，测量必须依赖两种激发光束的光学校准，不能稍有偏差。然而，roGFP探针对于氧化还原电位的差异范围比我们的FRET探针敏感，可以作为互补之用。」 Spring还说：「我们期待有更多令人兴奋的新颖发现可以使以氧化还原为基础的感应器的表现更臻完美。」

《实验生物及医学》期刊主编Steven R. Goodman说：这个跨领域研究团队已开发了一种新的FRET为基础的生物感测器，这在即时测量活细胞氧化压力上是一大进步。将可用来测量活细胞的胞器内之谷胱甘肽的电位。

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