人體內(nèi)的軟組織和器官是高度活躍的生化系統(tǒng)。其中，化學(xué)信使神經(jīng)遞質(zhì)負(fù)責(zé)精確控制各種生物過程。
在中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）中，多巴胺（DA）和 5-羥色胺（5-HT）在內(nèi)的單胺類神經(jīng)遞質(zhì)參與情緒、睡眠和記憶等認(rèn)知過程的調(diào)節(jié)。已有大量研究證實，單胺信號傳導(dǎo)失調(diào)是包括成癮、重度抑郁癥和帕金森病等精神和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的共同特征。
在中樞神經(jīng)系統(tǒng)之外（外周神經(jīng)系統(tǒng)），胃腸道（GI）系統(tǒng)中的 5-HT 占了人體 5-HT 的95%，緊密調(diào)節(jié)著腸道功能和微生物組。腸道來源的 5-HT 是腸道與大腦通訊系統(tǒng)（腸-腦軸）的重要組成部分。
因此，實時監(jiān)測神經(jīng)遞質(zhì)的動態(tài)對于了解神經(jīng)元與其靶點(diǎn)之間的通訊狀況，以及制定治療神經(jīng)和精神疾病的策略至關(guān)重要。然而到目前為止，研究活體動物和人體器官內(nèi)生化信號的工具仍然十分有限?，F(xiàn)有的剛性探針通常堅硬易碎，容易導(dǎo)致設(shè)備故障；而且對于柔軟且結(jié)構(gòu)彎曲復(fù)雜的腸道來說，還可能引發(fā)嚴(yán)重的炎癥反應(yīng)。因此，對活體動物 5-HT 的動力學(xué)進(jìn)行實時監(jiān)測一直存在挑戰(zhàn)。
2022年6月1日，斯坦福大學(xué)化學(xué)工程系鮑哲南教授、生物系陳曉科教授團(tuán)隊合作，在 Nature 發(fā)表了題為：A tissue-like neurotransmitter sensor for the brain and gut 的研究論文。
該研究設(shè)計了一種基于石墨烯的柔性可拉伸神經(jīng)化學(xué)生物傳感器，并將其命名為——NeuroString。NeuroString 傳感器可以同時針對性地實時檢測大腦和腸道內(nèi)的多種神經(jīng)遞質(zhì)動力學(xué)。
鮑哲南，1991年本科畢業(yè)于南京大學(xué)，1995年博士畢業(yè)于芝加哥大學(xué)，之后進(jìn)入貝爾實驗室任職，2001年獲得貝爾實驗室杰出研究人員稱號。2004年進(jìn)入斯坦福大學(xué)化學(xué)系任教。2011年獲得影響世界華人大獎，2015年被選為《自然》雜志年度十大人物，2016年當(dāng)選美國國家工程院院士，2017年獲得世界杰出女科學(xué)家成就獎，2018年成為斯坦福大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院院長，2021年當(dāng)選美國藝術(shù)與科學(xué)院院士。
在制備 NeuroString 傳感器的過程中，研究團(tuán)隊通過將激光誘導(dǎo)的石墨烯納米纖維網(wǎng)絡(luò)嵌入到彈性體基質(zhì)中（SEBS，以聚苯乙烯為末端段，以聚丁二烯加氫得到的乙烯-丁烯共聚物為中間彈性嵌段的線性三嵌共聚物），使傳感器達(dá)到類似組織的高水平柔軟性和可拉伸性，同時保留納米材料獨(dú)特的電化學(xué)性能。
NeuroString 可以與中樞神經(jīng)系統(tǒng)和胃腸道組織無縫連接，實現(xiàn)同時實時監(jiān)測兩個組織中的神經(jīng)遞質(zhì)動力學(xué)。
用于植入小鼠大腦的 NeuroString 傳感器由超薄、柔軟且有彈性的三通道“神經(jīng)弦”組成，可以最大程度減少組織損傷；而用于腸道的 NeuroString 傳感器是建立在單個有彈性的薄膜上，它的移動距離更遠(yuǎn)，運(yùn)動幅度更大，可以很容易地被拉伸、扭曲，甚至打結(jié)，從而便于操作和測量。
NeuroString 傳感器允許在有行為的小鼠大腦中進(jìn)行長期實時、多通道和多路單胺傳感，以及在沒有不良刺激和擾亂蠕動的情況下測量腸道中 5-羥色胺（5-HT）的動力學(xué)。
研究團(tuán)隊通過實驗發(fā)現(xiàn)，NeuroString 具有優(yōu)越的長期神經(jīng)化學(xué)檢測穩(wěn)定性，可以監(jiān)測小鼠神經(jīng)遞質(zhì)信號長達(dá) 16 周。
他們還使用 NeuroString 測量了豬腸道內(nèi)的 5-HT 動力學(xué)。多通道 NeuroString 可以同時測量不同腸段。研究人員檢查了藥物誘導(dǎo)的 5-HT 在豬模型中的釋放，發(fā)現(xiàn)氟西汀（選擇性 5-HT 再攝取抑制劑，SSRI）和亞甲藍(lán)（一種單胺氧化酶抑制劑，MB）的藥物組合導(dǎo)致活體小型豬的 5-HT 濃度增加。這些結(jié)果進(jìn)一步驗證了 NeuroString 傳感器在不同動物物種中實時亞秒級測量神經(jīng)遞質(zhì)的功能。因此，可以將其用于研究大型動物的神經(jīng)遞質(zhì)動力學(xué)。
最后一項概念驗證中，研究團(tuán)隊使用 NeuroString 傳感器同時檢測小鼠被喂食獎勵性巧克力后大腦和結(jié)腸神經(jīng)遞質(zhì)濃度的變化。兒茶酚胺和 5-HT 都是參與調(diào)控認(rèn)知過程和腸道功能的重要神經(jīng)遞質(zhì)。他們檢測到小鼠在攝入巧克力數(shù)秒之后兒茶酚胺在腦中釋放，并觀察到結(jié)腸內(nèi) 5-HT 在30至60分鐘內(nèi)增加。這與食物通過胃腸道的典型運(yùn)送時間一致。
這些發(fā)現(xiàn)顯示了使用 NeuroString 傳感器了解神經(jīng)遞質(zhì)機(jī)制及其在腦-腸軸中作用的潛力。
總的來說，通過開發(fā)基于石墨烯-彈性體復(fù)合材料的傳感器，研究團(tuán)隊證明了 NeuroString 可作為柔性生物傳感器來監(jiān)測活體動物大腦和腸道中單胺神經(jīng)遞質(zhì)的動力學(xué)。由于具有類似活體組織的機(jī)械特性，NeuroString 傳感器可以與胃腸道粘膜迅速連接，并與傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)檢查設(shè)備（如內(nèi)窺鏡）兼容，以用于無創(chuàng)監(jiān)測生物分子。
此外，NeuroString 傳感器獨(dú)特的彈性特性使其適合于同時監(jiān)測來自中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)遞質(zhì)信號，并有望解決目前研究腸道化學(xué)動力學(xué)及其與微生物相互作用的技術(shù)局限。
研究團(tuán)隊表示，對 NeuroString 傳感器的進(jìn)一步研發(fā)計劃，將聚焦于于利用微細(xì)加工和納米加工技術(shù)以提高傳感器的空間分辨率，通過結(jié)合不同的分子識別探針來提高其選擇性和多功能性，并最終將傳感器與無線電子設(shè)備集成以驗證其長期植入的性能。
研究團(tuán)隊總結(jié)道，結(jié)合其卓越的生物相容性和靈敏度，NeuroString 平臺或可成為在靈長動物體內(nèi)研究各種信號傳遞生物分子和電生理信號的有力工具。
https://www.nature.com/articles/s41586-022-04615-2
來源：生物世界
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