在神經科學領域，化學遺傳操控技術正逐漸成為研究小鼠大腦功能的利器。其中，DREADDs（Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs）系統憑借其精準、可逆的調控特性，成為科學家手中的“分子開關”，而CNO（氯氮平-N-氧化物）則是驅動這一系統的核心“鑰匙”。以下將從原理、技術特點到實際應用，全面解析這一技術的魅力。

圖1. 化學遺傳學改造天然受體得到的人工受體^[1]

化學遺傳操控：精準調控神經元的“遙控技術”
傳統基因操作難以實現對特定神經元活動的實時調控，而化學遺傳技術通過“人工受體+小分子配體”的組合，解決了這一難題。

其核心理念是：向目標細胞植入改造后的受體蛋白（如DREADDs），這些受體僅能被特定的小分子藥物（如CNO）激活，從而精確控制神經元的興奮或抑制狀態。相較于光遺傳學，化學遺傳無需光纖植入或外部設備，僅需注射或喂食藥物即可實現遠程操控，且適合長時間實驗（如慢性研究）。

DREADDs系統：人工受體的“智能設計”
DREADDs是通過基因工程改造的G蛋白偶聯受體（GPCR），其最大特點是僅對特定藥物產生響應，避免了天然配體的干擾。目前最常用的兩類受體是：

hM3Dq：激活型受體，結合CNO后通過Gq蛋白通路促進細胞內鈣離子釋放，導致神經元去極化（興奮）；

hM4Di：抑制型受體，結合CNO后通過Gi蛋白通路激活鉀離子通道，引發神經元超極化（抑制）。

這些受體可通過病毒載體（如AAV）或轉基因技術靶向特定腦區或細胞類型表達，例如用CaMKII啟動子限制在興奮性神經元中表達。一旦受體表達成功，只需給予CNO即可快速（通常幾分鐘內）調控目標神經元的活動。
 

圖2. DREADDs 作為調節體內 GPCR 信號的化學遺傳工具^[2]

該技術的核心優勢

CNO：穿透血腦屏障的“隱形操縱者”
CNO是一種小分子藥物，具備以下獨特優勢：
高選擇性：僅激活改造后的DREADDs受體，對天然受體無作用；
血腦屏障穿透力：可通過口服、腹腔注射等方式進入中樞神經系統；
可逆性：停藥后效應逐漸消失（CNO通常2小時內從膜上清除）。

其作用機制因受體亞型而異：
hM3Dq激活：CNO結合后激活Gq信號通路，促進PLCβ降解PIP2，開放KCNQ鉀離子通道，引發去極化電位；

hM4Di抑制：CNO結合后激活Gi蛋白，開放GIRK鉀離子通道，導致超極化抑制動作電位。
 

CNO的給藥方法

CNO的技術局限性

CNO作用時間較長（一般2小時清除期），藥物代謝可能影響非目標組織（需優化給藥劑量），且無法像光遺傳學那樣實現毫秒級精準控制，但仍適用于秒至分鐘級的時間尺度研究。

實際應用案例：從神經環路到行為調控

案例1：氯胺酮激活新生神經元，快速逆轉小鼠抑郁行為

基于DREADDs的小鼠模型（Ascl1-Cre; R26-LSL-hM4Di和Ascl1-Cre; R26-LSL-hM3Dq），精確地操控了成年海馬齒狀回（Dentate Gyrus, DG）中新生未成熟顆粒神經元（Adult-born immature granule neurons, ABINs）的活動，從而闡明了它們在氯胺酮（Ketamine）快速抗抑郁作用中的關鍵性和充分性作用。

圖3. 選擇性地抑制ABINs會阻止氯胺酮恢復應激誘導的行為表型的能力^[3]
 

圖4.激活ABINs足以誘導氯胺酮樣行為效應^[3]

案例2：前額葉皮層調控焦慮
利用設計藥物（DREADD）特異性激活的興奮性和抑制性受體，研究了急性化學遺傳學操作對成年（Rbp4-Cre）小鼠大腦中第5層皮質投射神經元和齒狀回神經元亞群的影響。研究人員通過在小鼠的初級運動皮層層5（L5）中表達hM3Dq（Rbp4-Cre; R26-LSL-hM3Dq）和hM4Di（Rbp4-Cre; R26-LSL-hM4Di）受體，并通過CNO激活這些受體，發現hM3Dq激活顯著增加了神經元的放電頻率，而hM4Di激活則顯著降低了神經元的放電頻率。
 

圖5.Rbp4Cre-hM3Dq和Rbp4Cre-hM4DiDREAD在皮質層5錐體神經元中的電生理驗證^[4]

案例3：hM3Dq和hM4Di在神經發育和再生中的作用
hM3Dq和hM4Di在神經發育和再生中的作用也得到了研究。例如，在一項關于海馬神經再生的研究中，研究人員通過使用Ascl1-CreER; R26-LSL−hM4Di和Ascl1-CreER; R26-LSL−hM3Dq，并注射CNO，發現抑制新生神經元的興奮性而不影響神經發生，可以消除氟西汀的抗抑郁效果。激活這些神經元足以緩解抑郁樣行為，并逆轉不可預測的慢性輕度壓力帶來的不良影響。

圖6.抑制新生齒狀回神經元可防止氟西汀的作用，并改變基線情感行為^[5]

DREADDs技術正在突破傳統神經科學研究的邊界：DREADDs與CNO的組合已在神經環路功能解析、精神疾病建模（如精神分裂癥）及藥物篩選中展現巨大潛力。隨著新型配體的開發（如更高效或可逆性更強的藥物），這一技術有望進一步推動神經科學從“觀察到操控”的跨越。對于研究者而言，DREADDs不僅是工具，更是打開大腦神秘之門的“化學密碼”。

南模生物相關品系
南模生物開發了相關工具鼠模型，可配合各Cre鼠及病毒使用。部分模型見下表：

表1.  化學遺傳操控工具鼠

同時，南模生物可提供超過600多種自主產權Cre/Dre工具鼠，覆蓋全身各類型的細胞組織，滿足科研人員多樣化的需求。部分神經系統Cre工具鼠見下表：

表2.  部分神經系統Cre工具鼠

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Reference：
[1]  Anderson AC, Joller N, Kuchroo VK. Lag-3, Tim-3, and TIGIT: Co-inhibitory RecSternson SM, Roth BL. Chemogenetic tools to interrogate brain functions. Annu Rev Neurosci. 2014;37:387-407. 

[2] Zhu H, Roth BL. DREADD: a chemogenetic GPCR signaling platform. Int J Neuropsychopharmacol. 2014 Oct 31;18(1):pyu007. doi: 10.1093/ijnp/pyu007. Erratum in: Int J Neuropsychopharmacol. 2016 Apr 27;19(10):pyw031. doi: 10.1093/ijnp/pyw031. PMID: 25522378; PMCID: PMC4368861.

[3] Rawat R, Tunc-Ozcan E, McGuire TL, et al. Ketamine activates adult-born immature granule neurons to rapidly alleviate depression-like behaviors in mice. Nat Commun. 2022 May 12;13(1):2650. doi: 10.1038/s41467-022-30386-5. PMID: 35551462; PMCID: PMC9098911.

[4] Vadisiute A, Meijer E, Therpurakal RN, et al. Glial cells undergo rapid changes following acute chemogenetic manipulation of cortical layer 5 projection neurons. Commun Biol. 2024 Oct 9;7(1):1286. doi: 10.1038/s42003-024-06994-w.

[5] Tunc-Ozcan E, Peng CY, Zhu Y, et al. Activating newborn neurons suppresses depression and anxiety-like behaviors. Nat Commun. 2019 Aug 21;10(1):3768. doi: 10.1038/s41467-019-11641-8. 

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