钙离子成像技术（Calcium imaging）是利用钙离子指示剂检测组织内钙离子浓度的方法。这项技术广泛应用于神经生物学，细胞生物学，生理学，发育生物学和药物学领域中。其中，神经生物学中主要研究神经细胞离子浓度改变引发的信号发射，生理学中主要研究肌肉运动-心肌细胞中的钙信号，细胞生物学中主要研究信号传导和离子通道，发育生物学中主要研究卵受精机制，药物学中主要用于筛选药物、药效学考察等方面。（点击了解详情）
红色钙成像产品作为一种重要的工具，正逐渐成为科研人员的得力助手。今天，我们就来详细介绍几款红色钙成像产品，帮助您更好地了解它们的设计原理及特性。
01
jRCaMP1 系列
560 nm excitation/580 nm emission【1】
设计原理 ——
基于 mRuby 开发，由 mRuby 与钙调蛋白（CaM）和 CaM 相互作用的 M13 肽融合而成。通过在 RFP 和 CaM、CaM 和 M13 之间以及 CaM 内部进行结构引导的诱变和神经元筛选，提高了对神经活动的检测灵敏度。
特性 ——
灵敏度高：jRCaMP1a 和 jRCaMP1b 相对于其亲本指示剂，检测 1 个动作电位（AP）刺激的灵敏度分别提高了 24 倍和 13 倍。
光谱特性：与亲本构建体具有相似的吸收和发射光谱。
光稳定性：与 jRGECO1a 类似，jRCaMP1a 和 jRCaMP1b 在蓝光照射下不表现出光开关特性，适合与光遗传学结合使用。
02
jRGECO1a
560 nm excitation/580 nm emission【1】
设计原理 ——
基于 mApple，由 mApple 与 CaM 和 M13 肽融合而成。通过对 RFP 和 CaM、CaM 和 M13 之间以及 CaM 内部进行诱变，提高了指示剂的性能。
特性 ——
灵敏度高：是最敏感的指标，1AP 刺激的 ΔF/F₀振幅比 R-GECO1 大 8.5 倍，上升时间更快。
光谱特性：与其他 mApple 基指标类似，在蓝光照射下表现出光开关特性。
与其他指标的比较：与 GCaMP6 指标具有相似的性能，可用于检测神经活动。
03
NIR - GECO2 和 NIR - GECO2 G
640 nm excitation/685 nm emission【2】
设计原理 ——
起源：均源自 NIR-GECO1，通过对 NIR - GECO1 进行基因改造，包括随机突变、筛选等步骤，开发出了这两个第二代变体。通过用更明亮的同源 miRFP 替换 mIFP 部分来构建第二代 NIR-GECO2。
具体突变：NIR-GECO2 引入了 T234I、S251T、E259 G、Q402E、F463Y 和 T478A 等突变；NIR-GECO2 G 在 NIR-GECO2 的基础上进一步引入了 T251S 和 S347 G 突变。
特性 ——
灵敏度提高：NIR-GECO2 G 在检测神经活动相关的钙离子变化时，灵敏度比 NIR-GECO1 有了显著提高，例如对于单 AP 刺激，其 ΔF/F₀响应值是 NIR-GECO1 的 3.7 倍左右。
光谱特性：在荧光光谱特性、峰值最大值、消光系数、量子产率和 pKa 等方面与 NIR - GECO1 基本相同。
其他特性：具有较高的钙亲和力，在体外和体内实验中都表现出良好的性能，能够准确地报告钙离子浓度的变化。
04
iGECI
630 nm excitation/670 nm emission【3】
设计原理 ——
iGECI 是基于 Cameleon 样的 GECI 支架，结合了近期描述的明亮单体近红外荧光蛋白 miRFP670 和 miRFP720 开发而成。对钙敏感模块中的氨基酸序列进行了随机突变和筛选，优化了传感器的性能，提高了其对钙离子的敏感性和特异性。
特性 ——
近红外荧光：激发和发射波长位于近红外区域，能够有效地穿透组织，减少光散射和吸收，实现深层组织的高分辨率成像。
高亮度和光稳定性：具有较高的亮度和良好的光稳定性，能够在长时间的成像过程中保持荧光信号的稳定。
高灵敏度：能够灵敏地检测细胞内钙离子浓度的变化，对单个动作电位（AP）的响应具有较高的灵敏度。
快速动力学响应：具有较快的上升和下降时间，能够及时反映神经元活动的变化。
05
HaloCaMP1a 和 HaloCaMP1b
640 nm excitation/655 nm emission【4】
设计原理 ——
HaloCaMP1a 和 HaloCaMP1b 均是基于 HaloTag 蛋白构建的化学遗传钙离子传感器，将 cpHaloTag 与 CaM 及 CaM 结合肽相连，模拟 GCaMP 的设计。基于光诱导电子转移（PET），蛋白质构象改变影响染料在无色、非荧光的内酯（L）形式和有色、荧光的两性离子（Z）形式之间的平衡，从而改变荧光强度 。
特性 ——
光谱特性：HaloCaMP1a 和 HaloCaMP1b 与 JF635-HaloTag 配体结合后，荧光激发和发射光谱红移，HaloCaMP1a 的激发和发射最大值分别为 640nm 和 653nm，HaloCaMP1b 分别为 642nm 和 655nm，光谱处于远红光区域。
灵敏度高：HaloCaMP1a 的解离常数 Kd 为 190nM，ΔF/F0 达 5.0；HaloCaMP1b 的解离常数 Kd 为 43nM，ΔF/F0 为 9.2，HaloCaMP1b 因更低的 Kd 和更高的 ΔF/F0 表现出更高灵敏度。在神经元培养实验中可有效检测单个动作电位。
06
WHaloCaMP1a
与不同染料配体结合时，激发光和发射光的波长有所不同【5】
设计原理 ——
WHaloCaMP 是在 HaloTag7 的基础上，通过突变 G171 为色氨酸引入荧光淬灭机制，在 R179 位置插入 CaM 及相关肽段构建而成。主要基于光诱导电子转移（PET）原理，色氨酸对结合染料进行可逆淬灭，当钙离子结合时蛋白构象变化影响 PET 过程，进而改变荧光强度。
特性 ——
光谱特性：激发光谱与许多蓝色激发的光遗传工具的作用光谱分离度好，成像时不会对表达 CheRiff 的神经元产生可观测的膜去极化，且其近红外发射可与现有基于荧光蛋白的指示剂多路复用。
荧光强度和灵敏度：与其他钙指示剂相比，荧光强度显著增加，如与近红外染料配体结合时，荧光强度增加 7 倍 ，比 jGCaMP8s 亮两倍多，比 iGECI 亮 40 倍。在神经元培养实验中表现出色，能检测到单个动作电位。
功能多样：不仅可用于成像神经元活动，还能通过与不同染料配体结合，实现多种颜色的荧光发射，适用于不同的成像需求。此外，还可作为荧光寿命成像显微镜（FLIM）探针，用于定量测量细胞内钙离子浓度。
07
RCaMP3
560 nm excitation/610 nm emission【6】
设计原理 ——
基于 R-GECO1 开发，通过引入一系列突变以蓝移激发光谱和产生大的动态范围，并使用自切割肽（F2A）代替 jRGECO1a 的核输出信号。
特性 ——
光谱特性：具有更蓝移的激发光谱，适用于双光子成像（1040nm）。
灵敏度和动态范围：在体外和体内实验中都表现出较高的灵敏度和较大的动态范围，能够检测到单个神经元的活动。
与其他指标的比较：在一些实验中，RCaMP3 的性能优于 jRGECO1a，例如在对单个动作电位的响应中，RCaMP3 的 ΔF/F₀值更高。
08
FRCaMPi 和 SomaFRCaMPi
566 nm excitation/594 nm emission【7】
设计原理 ——
FRCaMPi 的设计：通过拓扑反转将 FRCaMP 的末端连接方式进行改变，从而提高了指示剂对钙离子的结合亲和力。
SomaFRCaMPi 的设计：在 FRCaMPi 的 C 末端连接核糖体蛋白 L10（RPL10），使其能够特异性地定位到神经元的体细胞，从而减少了神经毡污染，提高了信号的准确性。
特性 ——
灵敏度高：FRCaMPi 和 SomaFRCaMPi 在神经元中具有较高的灵敏度，能够检测到微小的钙离子变化。
特异性强：
体细胞定位：SomaFRCaMPi 能够将信号特异性地定位到神经元的体细胞，减少了神经毡信号的干扰，提高了信号的质量。
减少相关性：在小鼠和斑马鱼的实验中，SomaFRCaMPi 能够减少神经元活动之间的错误相关性，提高了成像的准确性。
其他特性：在体外和体内实验中都表现出良好的稳定性和光稳定性，能够满足长时间成像的需求。
应用场景 Calcium imaging（点击了解详情）
1. 神经元活动检测
体内成像：这些红色钙成像产品均可用于体内神经元活动的检测，如在小鼠、果蝇、斑马鱼和秀丽隐杆线虫等动物模型中，通过表达这些指示剂，可以实时监测神经元的活性变化。
细胞培养：在培养的神经元中，这些指示剂能够响应细胞内钙离子浓度的变化，从而反映神经元的活动状态。
2. 神经环路研究
多神经元成像：通过在不同神经元中表达红色钙成像产品，可以同时监测多个神经元的活动，研究神经回路的功能和连接性。
活动相关性分析：例如，通过分析不同神经元之间的钙离子信号相关性，可以揭示神经回路中神经元之间的相互作用和信息传递方式。
3. 行为学研究
运动行为：在研究动物的运动行为时，这些指示剂可以记录与运动相关的神经元活动，帮助理解运动控制的神经机制。
感觉刺激响应：如在视觉刺激实验中，红色钙成像产品可以检测视觉皮层神经元对视觉刺激的响应，揭示视觉信息处理的神经过程。
4. 药物筛选和神经生物学研究
药物作用机制研究：通过在细胞或动物模型中表达红色钙成像产品，并给予不同的药物处理，可以研究药物对神经元活动的影响，揭示药物的作用机制。
总的来说，这些红色钙成像产品在设计原理、特性、激发光波长和应用场景等方面各有特点，它们的发展为神经科学研究提供了重要的工具，有助于深入了解神经元活动的机制和神经回路的功能。
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参考文献
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2、Qian Y, Cosio DMO, Piatkevich KD, et al. Improved genetically encoded near-infrared fluorescent calcium ion indicators for in vivo imaging. PLoS Biol. 2020;18(11):e3000965.
3、Shemetov AA, Monakhov MV, Zhang Q, et al. A near-infrared genetically encoded calcium indicator for in vivo imaging. Nat Biotechnol. 2021;39(3):368-377.
4、Deo C, Abdelfattah AS, Bhargava HK, et al. The HaloTag as a general scaffold for far-red tunable chemigenetic indicators. Nat Chem Biol. 2021;17(6):718-723.
5、Farrants H, Shuai Y, Lemon WC, et al. A modular chemigenetic calcium indicator for multiplexed in vivo functional imaging. Nat Methods. 2024;21(10):1916-1925.
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7、A Sensitive Soma-localized Red Fluorescent Calcium Indicator for Multi-Modality Imaging of Neuronal Populations In Vivo. bioRxiv 2025.01.31.635851;