Nature：斯坦福大學(xué)團(tuán)隊研發(fā)新型大腦和腸道神經(jīng)遞質(zhì)監(jiān)測傳感器
本文由brainnews腦科學(xué)世界團(tuán)隊原創(chuàng)編譯，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系授權(quán)。
人體軟組織和器官是高度活躍的生化系統(tǒng)，包括神經(jīng)遞質(zhì)和激素在內(nèi)的各種生物分子精確地控制各種生物過程。神經(jīng)遞質(zhì)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外周神經(jīng)環(huán)路（包括胃腸道）的調(diào)節(jié)中起著至關(guān)重要的作用。實時監(jiān)測這些神經(jīng)遞質(zhì)為了解神經(jīng)功能和診斷疾病提供了關(guān)鍵信息。然而，由于能夠檢查柔軟、復(fù)雜和活動器官的生物傳感工具有限，所以用于監(jiān)測體內(nèi)（尤其是腸道神經(jīng)系統(tǒng)）的神經(jīng)遞質(zhì)動態(tài)的生物電子學(xué)工具尚不發(fā)達(dá)。
2022年6月1日，斯坦福大學(xué)Zhenan Bao教授研究團(tuán)隊，于Nature 發(fā)文介紹了一種組織模擬的、可伸展的神經(jīng)化學(xué)生物界面，稱為神經(jīng)線NeuroString。該界面通過將金屬絡(luò)合的聚酰亞胺激光圖案化到嵌入彈性體中的互連石墨烯/納米粒子網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行制備。
NeuroString傳感器可以在行動正常的小鼠大腦中實時、多通道和多路地進(jìn)行慢性單胺傳感，還可以測量腸道中的五羥色胺動態(tài)，而無需不必要的刺激和蠕動。這種彈性的、可整合的生物傳感界面在研究神經(jīng)遞質(zhì)對腸道微生物、腦-腸通信的影響方面具有廣泛的潛力，并可能擴(kuò)展應(yīng)用于全身其他軟器官的生物分子傳感。
團(tuán)隊介紹：
通訊作者Zhenan Bao，美國國家工程院，美國藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院和美國國家發(fā)明家學(xué)院的成員,于2021年當(dāng)選為中國科學(xué)院外籍院士，斯坦福大學(xué)人文與科學(xué)學(xué)院化學(xué)工程系教授，創(chuàng)立了斯坦?？纱┐麟娮佑媱潱╡WEAR）。
用于感知大腦和腸道中神經(jīng)遞質(zhì)的NeuroString
研究人員通過將納米級石墨烯/氧化鐵納米顆粒網(wǎng)絡(luò)限制在彈性體（SEBS）中構(gòu)建了高度柔軟、可伸縮，同時保持納米材料獨特電化學(xué)性質(zhì)的復(fù)合材料，將其作為生物傳感神經(jīng)接口，即NeuroString，用于與CNS和GI組織無縫對接，并實現(xiàn)實時同步監(jiān)測兩種組織中單胺動力學(xué)的研究。
植入小鼠大腦的神經(jīng)線使用普魯蘭涂層來幫助植入，涂層在植入后溶解。微型計算機(jī)斷層掃描(μ-CT)圖像顯示高度靈活的神經(jīng)線可以非侵入性地進(jìn)入小鼠扭曲的結(jié)腸，這表明神經(jīng)線與軟器官的兼容性良好。
關(guān)于石墨烯-彈性體復(fù)合材料的變形機(jī)理的探究，μ-CT顯示，石墨烯納米纖維在轉(zhuǎn)移并嵌入到SEBS彈性體中后，仍然保持著相互連接的3D網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)拉伸到100%應(yīng)變時，石墨烯納米纖維網(wǎng)絡(luò)沿拉伸方向排列，這可能有助于保持導(dǎo)電路徑。
拉應(yīng)力測量也表明，石墨烯-彈性體復(fù)合材料表現(xiàn)出比整齊的SEBS彈性體高得多的應(yīng)變。此外，復(fù)合材料的方塊電阻在50%應(yīng)變下是穩(wěn)定的，所有激光功率的產(chǎn)物的變化均小于200%。
圖一：用于感知大腦和腸道中神經(jīng)遞質(zhì)的NeuroString
NeuroString電極在溶液中的電化學(xué)傳感性能
接下來，研究人員研究了NeuroString電極的電化學(xué)性質(zhì)。石墨烯的橫截面用作傳感電極，在多巴胺和5-羥色胺同時存在的體外循環(huán)伏安測試表明，與僅由石墨烯、含有NiO納米顆粒的石墨烯和商品碳纖維修飾的電極相比，修飾了Fe3O4納米顆粒的石墨烯電極選擇性和靈敏度最佳。
NeuroString電極還顯示出穩(wěn)定的氧化電流，當(dāng)拉伸到50%應(yīng)變時，幅度下降<10%，這為活躍運動的組織和器官提供了穩(wěn)定和準(zhǔn)確的神經(jīng)化學(xué)動力學(xué)監(jiān)測。
NeuroString能夠檢測到多種單胺類神經(jīng)遞質(zhì)，包括多巴胺（DA）、去甲腎上腺素(NP)、5-羥色胺(5-HT)和腎上腺素(EP)，F(xiàn)SCV的檢測下限分別為5.6 nM、7.2 nM、3.5 nM和6.6 nM(是噪聲標(biāo)準(zhǔn)差的3倍)。在10 nM~1μM范圍內(nèi)觀察到線性響應(yīng)曲線，在不同pH范圍內(nèi)有相對穩(wěn)定的電流響應(yīng)。
圖二：神經(jīng)串電極在溶液中的電化學(xué)傳感性能
大腦中的神經(jīng)化學(xué)傳感
接下來，研究人員使用NeuroString來監(jiān)測小鼠大腦中體內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)的動態(tài)變化。伏隔核(NAC)是腹側(cè)被蓋區(qū)(VTA)接受DA神經(jīng)元投射的主要區(qū)域之一。結(jié)合光遺傳學(xué)及病毒策略，在NAC和VTA中植入三通道NeuroString傳感器和一根光纖用于光遺傳刺激。
使用FAST-FSCV(從?0.4V到1.3V的三角波形掃描)，在VTA中提供激光刺激后，在NAC中實現(xiàn)了多通道DA檢測，并測定了不同刺激頻率下DA釋放的峰值([DA]max)。在重復(fù)光刺激后，研究人員實現(xiàn)了對DA時相釋放的快速檢測，表明NeuroString的時間分辨率為亞秒。
隨后，為了測試在自由活動的動物中，NeuroString感知行為相關(guān)的內(nèi)源性DA釋放的能力，研究人員將神經(jīng)串植入小鼠的NAC，以測量獎勵學(xué)習(xí)和恐懼消退期間的DA動態(tài)。并通過獎勵學(xué)習(xí)實驗范式以及恐懼條件反射和消退訓(xùn)練范式訓(xùn)練小鼠，通過神經(jīng)弦記錄過程中多巴胺信號的變化。
此外，研究人員還使用光遺傳學(xué)方法激活中縫背核(DRN)神經(jīng)元，并使用NeuroString測量SERT-CRE小鼠杏仁基底外側(cè)核(BLA)的光刺激5-羥色胺反應(yīng)。還使用NeuroString來檢測藥物化合物誘導(dǎo)的神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。
檢測結(jié)果均表明，與傳統(tǒng)的硬質(zhì)探針相比，軟質(zhì)神經(jīng)線具有更好的生物相容性，選擇性及靈敏度更佳，并且引起的不良組織反應(yīng)更少。
圖三：大腦中的神經(jīng)化學(xué)傳感
胃腸道系統(tǒng)中的神經(jīng)化學(xué)傳感
為了研究5-羥色胺在活動性腸道中的動力學(xué)，研究人員首先驗證了小鼠腸道神經(jīng)弦在體外蠕動運動下的機(jī)械順應(yīng)性。由于SEBS和結(jié)腸粘膜都是柔軟和疏水的，所以神經(jīng)串可以很容易地與小鼠結(jié)腸粘膜連接并附著在粘膜上。
延時圖像結(jié)合結(jié)腸運動分析顯示，在電化學(xué)測量過程中，當(dāng)將NeuroString放置在腸腔中時，小鼠的結(jié)腸表現(xiàn)出持續(xù)的收縮和松弛，不會誘導(dǎo)肌電慢波誘導(dǎo)的機(jī)械收縮和結(jié)腸移行運動復(fù)合體(CMMC)的潛伏期，相比相同尺寸的柔性(但不可拉伸)聚酰亞胺纖維更優(yōu)。
在行為上，結(jié)腸中NeuroString的存在也不會影響小鼠在野外測試中的活動或糞便輸出。腸嗜鉻細(xì)胞(EC)位于腸道上皮細(xì)胞內(nèi)，并儲存大量的5-羥色胺。腸道迷走神經(jīng)傳入對機(jī)械刺激特別敏感，因為胃腸道壁的感覺末端有豐富的機(jī)械感受器來觸發(fā)5-羥色胺的釋放并增強(qiáng)蠕動反射。
當(dāng)使用NeuroString時，實時5-羥色胺記錄顯示，在結(jié)腸蠕動期間，5-羥色胺濃度穩(wěn)定。這些結(jié)果均證實了NeuroString的機(jī)械順應(yīng)性是唯一足以減少對活動器官的生理狀態(tài)的干擾，同時保持?jǐn)?shù)據(jù)記錄高保真度的。
5-羥色胺通過激活5-羥色胺受體，在腸粘膜中既是促炎信號分子又是抗炎信號分子。隨后，研究人員探索了NeuroString是否可以在炎癥性腸病小鼠模型中，非侵入性監(jiān)測5-羥色胺水平在胃腸道炎癥發(fā)展過程中的變化。
結(jié)果表明，5-HT可以作為腸道炎癥的生物標(biāo)志物，而NeuroString的整合可以用于炎癥性腸病的診斷和人類腸道化學(xué)的研究。
圖四：胃腸道系統(tǒng)中的神經(jīng)化學(xué)傳感
總 結(jié)
中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)中，單胺類信號如多巴胺(DA)和5-羥色胺(5-HT)等參與調(diào)節(jié)情緒、覺醒和記憶等認(rèn)知過程。胃腸道(GI)系統(tǒng)作為腸道-腦通訊系統(tǒng)的重要組成部分，其中的5-HT占機(jī)體5-HT的95%，調(diào)節(jié)腸道功能和微生物區(qū)。因此，監(jiān)測神經(jīng)遞質(zhì)的動態(tài)變化對于了解神經(jīng)元與其靶點之間的聯(lián)系以及制定治療神經(jīng)調(diào)節(jié)策略是必不可少的。
神經(jīng)探針和生物電子學(xué)的最新進(jìn)展主要集中在開發(fā)軟的或小型化的電生理裝置，以往研發(fā)多為剛性和脆性的，并且傳感功能的可調(diào)性有限。這些僵硬的探頭可能會導(dǎo)致早期設(shè)備故障或嚴(yán)重的炎癥反應(yīng)。
本篇文章提到的NeuroString通過將納米級石墨烯/氧化鐵納米顆粒網(wǎng)絡(luò)限制在彈性體（SEBS）中構(gòu)建了高度柔軟、可伸縮，同時保持納米材料獨特電化學(xué)性質(zhì)的復(fù)合材料，將其作為生物傳感神經(jīng)接口，用于與CNS和GI組織無縫對接，實現(xiàn)了實時同步監(jiān)測兩種組織中單胺動力學(xué)的研究，擴(kuò)展應(yīng)用于軟組織和器官前景廣泛。
參考文獻(xiàn)
Li J, Liu Y, Yuan L, Zhang B, Bishop ES, Wang K, Tang J, Zheng YQ, Xu W, Niu S, Beker L, Li TL, Chen G, Diyaolu M, Thomas AL, Mottini V, Tok JB, Dunn JCY, Cui B, Pa?ca SP, Cui Y, Habtezion A, Chen X, Bao Z. A tissue-like neurotransmitter sensor for the brain and gut. Nature. 2022 Jun;606(7912):94-101. doi: 10.1038/s41586-022-04615-2. Epub 2022 Jun 1. PMID: 35650358.
編譯作者：zouki（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊）
校審：Simon（brainnews編輯部）
