Multi-SIM助力新型钙指示剂NEMOer的研发：突破内质网钙信号成像的极限

钙离子（Ca2+）是细胞内信号传递的核心信使，调控着从基因表达到肌肉收缩等多种生理过程。内质网/肌浆网（ER/SR）作为细胞内主要的钙库，其钙动态的精准监测对理解细胞功能及相关疾病（如心血管疾病、神经退行性疾病）至关重要。然而，现有的遗传编码钙指示剂（GECIs）因动态范围小、灵敏度低、响应速度慢等问题，难以捕捉ER/SR中瞬时的“钙闪烁”等基本释放事件，尤其在可兴奋细胞（如心肌细胞）中这一挑战更为显著。开发高灵敏度、高动态范围的ER/SR钙指示剂，成为领域内亟待突破的难题。 

2025年4月，北京师范大学生命科学学院王友军课题组在《Nature Communications》期刊上发表了题为“Highly dynamic and sensitive NEMOer calcium indicators for imaging ER calcium signals in excitable cells”的研究论文。该团队通过改造钙调蛋白结构域，成功开发了新一代ER/SR钙指示剂NEMOer系列。NEMOer的灵敏度比传统G-CEPIA1er提升2.7倍，动态范围扩大50倍以上，首次实现了对心肌细胞SR“钙闪烁”及斑马鱼体内自发SR钙释放事件的直接观测。其中，快速响应型NEMOer-f更以毫秒级动力学特性，为可兴奋细胞的钙信号研究提供了全新工具。

图注：(F) 使用Multi-SIM超分辨成像系统对COS-7细胞中表达的 mTurquoise2 - NEMOer-m（TuNer-m）进行荧光图像采集，选用445 nm波长的激光作为激发光，通过两个探测器分别在415-475 nm和500-550 nm 的波长范围内同步接收信号，以此实现对荧光信号的同步检测。TuNer比率（R）定义为 R = F_NEMOer/F_sfTq2ox。放大区域中，紫色箭头表示荧光较高但比率较低的区域，黄色箭头表示相反的情况。(G) 针对不同亚细胞区域进行精确的感兴趣区域（ROI）划定，内质网片层（白色圆圈）、内质网片层边缘（黄色圆圈）或内质网小管（绿色圆圈）。(H) 对不同划定区域的荧光比率进行统计分析，平均面积：片层为 0.06±0.01 μm²，边缘为 0.07±0.01 μm²，小管为 0.07±0.01 μm²。（****P = 1E-7，**P = 0.0019，ns 表示无显著性，P = 0.0723，单因素方差分析，n = 70个感兴趣区域，来自至少15个细胞）。3 次独立的生物学重复，每次重复至少5个细胞。

Multi-SIM在该研究中的应用为内质网钙离子信号研究带来了突破。它不仅提供了内质网超微结构和钙离子动态变化的超高分辨率图像，帮助科研人员更细致地观察内质网钙离子的分布和变化情况，还揭示了以往未被发现的内质网钙离子信号特征，为理解细胞内钙信号变化提供了新的视角。