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    Nature:鮑哲南/陳曉科團隊開發用于實時監測大腦和腸道信息交流的新型傳感器

    2022-06-02 16:59 生物世界

    導讀:該研究設計了一種基于石墨烯的柔性可拉伸神經化學生物傳感器,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的多種神經遞質動力學。

    人體內的軟組織和器官是高度活躍的生化系統。其中,化學信使神經遞質負責精確控制各種生物過程。

    在中樞神經系統(CNS)中,多巴胺(DA)和 5-羥色胺(5-HT)在內的單胺類神經遞質參與情緒、睡眠和記憶等認知過程的調節。已有大量研究證實,單胺信號傳導失調是包括成癮、重度抑郁癥和帕金森病等精神和神經系統疾病的共同特征。

    在中樞神經系統之外(外周神經系統),胃腸道(GI)系統中的 5-HT 占了人體 5-HT 的95%,緊密調節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(腸-腦軸)的重要組成部分。

    因此,實時監測神經遞質的動態對于了解神經元與其靶點之間的通訊狀況,以及制定治療神經和精神疾病的策略至關重要。然而到目前為止,研究活體動物和人體器官內生化信號的工具仍然十分有限?,F有的剛性探針通常堅硬易碎,容易導致設備故障;而且對于柔軟且結構彎曲復雜的腸道來說,還可能引發嚴重的炎癥反應。因此,對活體動物 5-HT 的動力學進行實時監測一直存在挑戰。

    2022年6月1日,斯坦福大學化學工程系鮑哲南教授、生物系陳曉科教授團隊合作,在 Nature 發表了題為:A tissue-like neurotransmitter sensor for the brain and gut 的研究論文。

    該研究設計了一種基于石墨烯的柔性可拉伸神經化學生物傳感器,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的多種神經遞質動力學。


    鮑哲南,1991年本科畢業于南京大學,1995年博士畢業于芝加哥大學,之后進入貝爾實驗室任職,2001年獲得貝爾實驗室杰出研究人員稱號。2004年進入斯坦福大學化學系任教。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年當選美國國家工程院院士,2017年獲得世界杰出女科學家成就獎,2018年成為斯坦福大學化學工程學院院長,2021年當選美國藝術與科學院院士。

    在制備 NeuroString 傳感器的過程中,研究團隊通過將激光誘導的石墨烯納米纖維網絡嵌入到彈性體基質中(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特的電化學性能。


    NeuroString 可以與中樞神經系統和胃腸道組織無縫連接,實現同時實時監測兩個組織中的神經遞質動力學。

    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,運動幅度更大,可以很容易地被拉伸、扭曲,甚至打結,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。

    研究團隊通過實驗發現,NeuroString 具有優越的長期神經化學檢測穩定性,可以監測小鼠神經遞質信號長達 16 周。


    他們還使用 NeuroString 測量了豬腸道內的 5-HT 動力學。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的 5-HT 在豬模型中的釋放,發現氟西?。ㄟx擇性 5-HT 再攝取抑制劑,SSRI)和亞甲藍(一種單胺氧化酶抑制劑,MB)的藥物組合導致活體小型豬的 5-HT 濃度增加。這些結果進一步驗證了 NeuroString 傳感器在不同動物物種中實時亞秒級測量神經遞質的功能。因此,可以將其用于研究大型動物的神經遞質動力學。


    最后一項概念驗證中,研究團隊使用 NeuroString 傳感器同時檢測小鼠被喂食獎勵性巧克力后大腦和結腸神經遞質濃度的變化。兒茶酚胺和 5-HT 都是參與調控認知過程和腸道功能的重要神經遞質。他們檢測到小鼠在攝入巧克力數秒之后兒茶酚胺在腦中釋放,并觀察到結腸內 5-HT 在30至60分鐘內增加。這與食物通過胃腸道的典型運送時間一致。


    這些發現顯示了使用 NeuroString 傳感器了解神經遞質機制及其在腦-腸軸中作用的潛力。

    總的來說,通過開發基于石墨烯-彈性體復合材料的傳感器,研究團隊證明了 NeuroString 可作為柔性生物傳感器來監測活體動物大腦和腸道中單胺神經遞質的動力學。由于具有類似活體組織的機械特性,NeuroString 傳感器可以與胃腸道粘膜迅速連接,并與傳統的醫學檢查設備(如內窺鏡)兼容,以用于無創監測生物分子。

    此外,NeuroString 傳感器獨特的彈性特性使其適合于同時監測來自中樞和外周神經系統的神經遞質信號,并有望解決目前研究腸道化學動力學及其與微生物相互作用的技術局限。

    研究團隊表示,對 NeuroString 傳感器的進一步研發計劃,將聚焦于于利用微細加工和納米加工技術以提高傳感器的空間分辨率,通過結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備集成以驗證其長期植入的性能。

    研究團隊總結道,結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研究各種信號傳遞生物分子和電生理信號的有力工具。

    論文鏈接

    https://www.nature.com/articles/s41586-022-04615-2

    來源:生物世界


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