星形胶质细胞（Astrocytes）是一种广泛分布于大脑中的呈星状的神经胶质细胞。星胶细胞胞体表面有数千个凸起，形成“丛状”区域，最细微的凸起连接突触、血管和其他神经胶质。它们执行多种功能，包括参与神经元交流、血脑屏障的功能及调节、修复神经细胞损伤等。
业已证实，星胶细胞与多种疾病密切相关，包括多发性硬化症、阿尔茨海默病、帕金森病、亨廷顿病等。尽管取得了一些重大进展，星胶细胞仍被认为是一个未被挖掘的细胞群，还有许多问题等待探索。
不同亚群的星胶细胞在离子运输、突触作用、吞噬作用、免疫功能等方面都存在明显差异。高通量单细胞RNA测序的发展使得区分这些亚群成为可能。在疾病相关研究过程中，常常描述各种关键因子对星胶细胞的作用及其通路。但是随着研究的深入，人们发现，操控/调节星胶细胞并非易事。
星胶细胞可视化道路也非一帆风顺。19世纪 Rudolf Virchow首次对星胶细胞形态进行描述。十年后，Camillo Golgi利用铬酸银染色技术描绘了细胞形态，并分出了两种基本形态亚型。但受限于技术，无法展现胞体的详细特征。后随着各种荧光蛋白/特异性启动子的更新迭代，标记星胶细胞变得容易。但这些工具标记效果参差不齐。
因此，我们需要有效的工具，能够在形态学、生理水平上对星胶细胞进行研究。
下面，小布将介绍几种高特异性、高效的星胶细胞标记及操控工具。
GfaABC1D启动子
目前有多种星形胶质细胞标记物，如GFAP、EAAT1/GLAST、谷氨酰胺合成酶等。但这些标记物仅能完成形态标记，无法对星胶细胞进行调节和操控。
重组腺相关病毒（rAAV）通过遗传改造，成为星胶细胞示踪和操控的有效工具。rAAV搭配GfaABC1D启动子并携带不同报告基因或特定功能元件，不仅能够实现星胶细胞标记、环路结构可视化或特定功能的标记，还能结合工具鼠/重组酶（包括Cre或Flp）可实现特异性标记或操控。
小布的测试结果也印证了这种高效的特异性。
图1 | BC-0377（荧光蛋白）&BC-0378（钙成像）成像结果
AAV11血清型
AAV的一些血清型无法靶向神经胶质细胞，或者效率低下。近期，中科院徐富强团队为了弥补这类工具的不足，对一系列工具病毒进行改造和筛选，开发了一种新的重组腺相关病毒rAAV11，并评估了携带GfaABC1D启动子的rAAV11对星形胶质细胞的转导效率。结果发现，改造后的rAAV11可高效且特异地靶向星形胶质细胞，为星形胶质细胞的研究提供了更加高效的病毒工具。
图2 | rAAV11高效且高特异性转导星形胶质细胞
iβARK
iβARK是来自β肾上腺素能受体激酶1 的122个残基抑制肽，可选择性阻断Gαq GTP激活，抑制星形胶质细胞内Gq-GPCR信号通路介导的Ca2+信号，从而影响小鼠行为活动。iβARK对于探索星形胶质细胞内Gq-GPCR信号通路在不同实验场景下与生理、脑功能和疾病有关的行为，以及对神经系统功能的研究具有重要价值。
iβARK的优势在于：可在全脑星形胶质细胞中选择性表达，并进行特异性抑制；不改变星形胶质细胞形态、电生理、自发Ca2+信号和基因表达；可降低小鼠短期记忆相关的行为适应和认知功能。
这些优势均使iβARK成为有效工具。
图3 | iβARK抑制星形胶质细胞Gq-GPCR诱导的Ca2+信号
活体成像技术
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的动态变化相关技术的研发迫在眉睫。研究者基于基因编码生物磁共振成像技术，首次建立了一种在体无创全脑检测星形胶质细胞的新技术。
在全脑成像研究中，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，最终利用荧光成像对活体成像效果进行评估。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。
图4 | 活体全脑星形胶质细胞成像及其荧光成像效果验证
总结
这些新型工具/技术的开发将有助于加强对星形胶质细胞形态和功能的理解，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，该技术可应用到星胶细胞异常的疾病相关机制研究中，为此类疾病的早期预防起到重要作用。
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