在神经科学领域，化学遗传操控技术正逐渐成为研究小鼠大脑功能的利器。其中，DREADDs（Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs）系统凭借其精准、可逆的调控特性，成为科学家手中的“分子开关”，而CNO（氯氮平-N-氧化物）则是驱动这一系统的核心“钥匙”。以下将从原理、技术特点到实际应用，全面解析这一技术的魅力。

图1. 化学遗传学改造天然受体得到的人工受体^[1]

化学遗传操控：精准调控神经元的“遥控技术”
传统基因操作难以实现对特定神经元活动的实时调控，而化学遗传技术通过“人工受体+小分子配体”的组合，解决了这一难题。

其核心理念是：向目标细胞植入改造后的受体蛋白（如DREADDs），这些受体仅能被特定的小分子药物（如CNO）激活，从而精确控制神经元的兴奋或抑制状态。相较于光遗传学，化学遗传无需光纤植入或外部设备，仅需注射或喂食药物即可实现远程操控，且适合长时间实验（如慢性研究）。

DREADDs系统：人工受体的“智能设计”
DREADDs是通过基因工程改造的G蛋白偶联受体（GPCR），其最大特点是仅对特定药物产生响应，避免了天然配体的干扰。目前最常用的两类受体是：

hM3Dq：激活型受体，结合CNO后通过Gq蛋白通路促进细胞内钙离子释放，导致神经元去极化（兴奋）；

hM4Di：抑制型受体，结合CNO后通过Gi蛋白通路激活钾离子通道，引发神经元超极化（抑制）。

这些受体可通过病毒载体（如AAV）或转基因技术靶向特定脑区或细胞类型表达，例如用CaMKII启动子限制在兴奋性神经元中表达。一旦受体表达成功，只需给予CNO即可快速（通常几分钟内）调控目标神经元的活动。
 

图2. DREADDs 作为调节体内 GPCR 信号的化学遗传工具^[2]

该技术的核心优势

CNO：穿透血脑屏障的“隐形操纵者”
CNO是一种小分子药物，具备以下独特优势：
高选择性：仅激活改造后的DREADDs受体，对天然受体无作用；
血脑屏障穿透力：可通过口服、腹腔注射等方式进入中枢神经系统；
可逆性：停药后效应逐渐消失（CNO通常2小时内从膜上清除）。

其作用机制因受体亚型而异：
hM3Dq激活：CNO结合后激活Gq信号通路，促进PLCβ降解PIP2，开放KCNQ钾离子通道，引发去极化电位；

hM4Di抑制：CNO结合后激活Gi蛋白，开放GIRK钾离子通道，导致超极化抑制动作电位。
 

CNO的给药方法

CNO的技术局限性

CNO作用时间较长（一般2小时清除期），药物代谢可能影响非目标组织（需优化给药剂量），且无法像光遗传学那样实现毫秒级精准控制，但仍适用于秒至分钟级的时间尺度研究。

实际应用案例：从神经环路到行为调控

案例1：氯胺酮激活新生神经元，快速逆转小鼠抑郁行为

基于DREADDs的小鼠模型（Ascl1-Cre; R26-LSL-hM4Di和Ascl1-Cre; R26-LSL-hM3Dq），精确地操控了成年海马齿状回（Dentate Gyrus, DG）中新生未成熟颗粒神经元（Adult-born immature granule neurons, ABINs）的活动，从而阐明了它们在氯胺酮（Ketamine）快速抗抑郁作用中的关键性和充分性作用。

图3. 选择性地抑制ABINs会阻止氯胺酮恢复应激诱导的行为表型的能力^[3]
 

图4.激活ABINs足以诱导氯胺酮样行为效应^[3]

案例2：前额叶皮层调控焦虑
利用设计药物（DREADD）特异性激活的兴奋性和抑制性受体，研究了急性化学遗传学操作对成年（Rbp4-Cre）小鼠大脑中第5层皮质投射神经元和齿状回神经元亚群的影响。研究人员通过在小鼠的初级运动皮层层5（L5）中表达hM3Dq（Rbp4-Cre; R26-LSL-hM3Dq）和hM4Di（Rbp4-Cre; R26-LSL-hM4Di）受体，并通过CNO激活这些受体，发现hM3Dq激活显著增加了神经元的放电频率，而hM4Di激活则显著降低了神经元的放电频率。
 

图5.Rbp4Cre-hM3Dq和Rbp4Cre-hM4DiDREAD在皮质层5锥体神经元中的电生理验证^[4]

案例3：hM3Dq和hM4Di在神经发育和再生中的作用
hM3Dq和hM4Di在神经发育和再生中的作用也得到了研究。例如，在一项关于海马神经再生的研究中，研究人员通过使用Ascl1-CreER; R26-LSL−hM4Di和Ascl1-CreER; R26-LSL−hM3Dq，并注射CNO，发现抑制新生神经元的兴奋性而不影响神经发生，可以消除氟西汀的抗抑郁效果。激活这些神经元足以缓解抑郁样行为，并逆转不可预测的慢性轻度压力带来的不良影响。

图6.抑制新生齿状回神经元可防止氟西汀的作用，并改变基线情感行为^[5]

DREADDs技术正在突破传统神经科学研究的边界：DREADDs与CNO的组合已在神经环路功能解析、精神疾病建模（如精神分裂症）及药物筛选中展现巨大潜力。随着新型配体的开发（如更高效或可逆性更强的药物），这一技术有望进一步推动神经科学从“观察到操控”的跨越。对于研究者而言，DREADDs不仅是工具，更是打开大脑神秘之门的“化学密码”。

南模生物相关品系
南模生物开发了相关工具鼠模型，可配合各Cre鼠及病毒使用。部分模型见下表：

表1.  化学遗传操控工具鼠

同时，南模生物可提供超过600多种自主产权Cre/Dre工具鼠，覆盖全身各类型的细胞组织，满足科研人员多样化的需求。部分神经系统Cre工具鼠见下表：

表2.  部分神经系统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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