3D 双光子脑成像揭示青蒿琥酯通过调节铁稳态发挥抗癫痫作用
Chenwen Shao, Yong Qian, Jing Zhao, Hai-Liang Zhu, et al. | Cell Chemical Biology 2022 | DOI: 10.1016/j.chembiol.2021.12.006
标签: #中药青蒿素 #抗癫痫 #铁稳态 #双光子成像 #Fe2+探针 #3BrainMEA #类器官 #中医药
一、做什么 🔬
癫痫（Epilepsy）是一种由神经元网络异常同步放电引起的慢性脑部疾病。铁稳态失衡（Iron Homeostasis）在多种神经系统疾病中扮演关键角色，但在活体癫痫大脑中，亚铁离子（Fe2+）的实时动态分布一直缺乏直接的成像证据。
本研究开发了一种近红外双光子荧光探针（FeP），结合 3D 双光子脑成像技术，首次在活体癫痫小鼠大脑中实时观测了 Fe2+ 通量。更重要的是，研究揭示了传统中药成分——**双氢青蒿素（DHA）**可以通过调节铁稳态，发挥显著的抗癫痫作用。
| 核心技术 | 说明 | 用途 |
|---|---|---|
| FeP 探针 (Fe2+ Fluorescent Probe) | 一种特异性识别 Fe2+ 的近红外双光子荧光探针 | 实现活体脑内 Fe2+ 的高灵敏度、高分辨率成像 |
| 3D 双光子脑成像 | 利用双光子显微镜进行深层组织 3D 成像 | 观察癫痫发作期间 Fe2+ 在皮层/海马的动态变化 |
| 体外 MEA 验证 | 使用多电极阵列（MEA）记录神经元电活动 | 验证 DHA 对神经元网络异常放电的抑制作用 |
| 癫痫模型 | PTZ 诱导的癫痫小鼠模型 | 模拟急性癫痫发作，评估药物疗效 |
二、发现什么 📊
FeP 探针揭示癫痫脑中 Fe2+ 异常升高
图1：FeP 探针的分子结构设计及其对 Fe2+ 的特异性响应。左上角展示了探针与 Fe2+ 结合后的荧光增强效果，证明其具有极高的灵敏度和特异性。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 设计并合成 FeP 探针，在细胞和活体水平验证其对 Fe2+ 的特异性识别能力，并优化双光子成像参数。 |
| 发现什么 | FeP 能够特异性结合 Fe2+，并在 680nm 处发射强荧光；在细胞实验中，探针成功定位了线粒体和细胞质中的铁库；双光子成像显示其具有良好的组织穿透力，适合深层脑成像。 |
| 说明什么 | FeP 是一个强大的工具，能够解决“活体脑内 Fe2+ 分布看不清”的难题，为研究铁代谢与神经疾病的关系提供了新手段。 |
癫痫发作伴随脑内 Fe2+ 通量激增
图2：利用双光子显微镜拍摄的癫痫小鼠脑皮层/海马区域的 3D 荧光图像。与对照组相比，癫痫组脑内 Fe2+ 信号显著增强，且分布模式发生改变。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 在 PTZ 诱导的急性癫痫小鼠模型中，注射 FeP 探针后，利用双光子显微镜实时记录大脑皮层和海马区域的 Fe2+ 荧光信号变化。 |
| 发现什么 | 癫痫发作后，脑内 Fe2+ 水平显著升高（约升高 2-3 倍），且这种升高具有明显的区域特异性（海马和皮层最为显著）；同时，ROS（活性氧）水平也随之升高，提示铁死亡（Ferroptosis）或氧化应激可能参与了癫痫损伤。 |
| 说明什么 | 铁过载是癫痫发作的重要病理特征。Fe2+ 的异常积聚可能通过芬顿反应产生大量 ROS，损伤神经元，加剧异常放电。 |
双氢青蒿素（DHA）调节铁稳态并抗癫痫
图3：给予 DHA 治疗后，癫痫小鼠脑内 Fe2+ 水平恢复正常，且脑电图（EEG）和行为学评分显示癫痫发作显著减少。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 在癫痫模型小鼠中给予双氢青蒿素（DHA）治疗，观察其对 Fe2+ 水平、ROS 水平、脑电活动（EEG）及行为学表现的影响。同时使用 MEA 记录离体脑片的电生理变化。 |
| 发现什么 | DHA 能够显著降低脑内异常的 Fe2+ 积聚，恢复铁稳态；EEG 记录显示，DHA 处理后，癫痫样放电的幅度和频率均大幅下降；行为学上，小鼠的抽搐潜伏期延长，发作等级降低。 |
| 说明什么 | DHA 的抗癫痫机制与调节铁稳态密切相关。作为一种传统的抗疟中药，DHA 在此展示了其在神经保护领域的新潜力，为“老药新用”提供了科学依据。 |
MEA 验证：DHA 抑制神经元网络过度兴奋
图4：MEA 记录结果展示。左侧为对照组，中间为癫痫模型组（高频爆发），右侧为 DHA 治疗组（放电活动明显受到抑制）。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 制备海马脑片，使用 MEA（多电极阵列） 记录各组神经元的自发场电位，重点分析网络爆发（Network Bursts）和同步性指数。 |
| 发现什么 | 癫痫模型组的脑片在 MEA 上表现出典型的高频同步爆发（类似癫痫发作）；加入 DHA 后，这些异常爆发的频率显著降低，网络同步性指数下降。 |
| 说明什么 | MEA 结果从电生理层面直接证实了 DHA 的抗癫痫功效，且这种抑制作用是快速、可逆的，进一步支持了 DHA 作为抗癫痫药物的开发价值。 |
三、说明什么 💡
科学意义
| 发现 | 意义 |
|---|---|
| 活体成像 Fe2+ 通量 | 首次直观展示了癫痫脑内的“铁风暴”，证实铁代谢异常是癫痫的核心病理之一 |
| 中药 DHA 调节铁稳态 | 揭示了青蒿素类药物的新机制（非抗疟），为中医药现代化提供了分子层面的证据 |
| MEA + 双光子 联用 | 结合了“电生理功能”与“生化代谢”的双重验证，是神经疾病研究的理想范式 |
与我们产品的关联（重点）
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| 3Brain MEA (高通量筛选) | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 本文使用了 MEA 验证 DHA 药效。对于重庆中医药学院的项目，这是一个完美的案例：用 MEA 筛选/验证中药（如青蒿素衍生物）对神经类器官/脑片的药效。 |
| 3Brain HD-MEA (机制研究) | ⭐⭐⭐⭐ | 4096 电极可以更精细地记录铁过载对局部微环路的影响（如传导速度减慢、同步性改变），比传统 MEA 提供更丰富的数据维度。 |
| Celvivo/ClinoStar (类器官) | ⭐⭐⭐ | 结合类器官模型，利用 MEA 进行长时程监测，可以更全面地评估 DHA 在发育或慢性病理模型中的神经保护作用。 |
技术优势与局限
| 优势 | 局限 |
|---|---|
| 机制明确（铁稳态调节） | DHA 在脑内的具体靶点蛋白（Target）尚待进一步确证 |
| 多模态验证（成像 + 电生理） | 急性模型结果不能完全代表慢性癫痫 |
| 老药新用，临床转化潜力大 | 需要更多安全性评估 |
原文下载
📄 Shao_2022_ChemBio_DHA_Antiepileptic_Iron.pdf
参考文献
- Shao C, Liu Y, Chen Z, et al. 3D two-photon brain imaging reveals dihydroartemisinin exerts antiepileptic effects by modulating iron homeostasis. Cell Chem Biol. 2022;29(3):443-455.
- Stockwell BR, et al. Ferroptosis: a regulated cell death nexus linking metabolism, redox biology, and disease. Cell. 2017.
- Tang F, et al. Dihydroartemisinin: a review of its pharmacology and toxicity. Toxicol Lett. 2019.
转发语：🔥 中药抗癫痫新机制！ 3D 双光子成像 + MEA 电生理联合验证：双氢青蒿素（DHA）通过调节脑内铁稳态，显著抑制癫痫异常放电。这不仅揭示了青蒿素的神经保护新潜力，更为利用 MEA 平台筛选中药药效提供了绝佳范例！
联系人：李东伟
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