原创 学术经纬 学术经纬 2022-06-11 07:30 发表于上海
帕金森病、抑郁症、肠易激综合征，它们有的属于神经系统疾病，有的属于胃肠道疾病，乍听起来毫无关联，实际上这些疾病有个共同的核心：调节神经活动的化学物质变得太多或太少。
这类化学物质包括多巴胺、血清素（5-羟色胺）等。它们由神经细胞生产并分泌，对神经传递信号的过程发挥重要调节作用，也被称为神经递质。运动、睡眠、食欲、消化等功能都与它们密切相关。而这些化学物质一旦失衡与多种疾病有直接关联，调节这些神经递质也是目前治疗上述疾病的主要药物目标。
日前，顶尖学术期刊《自然》上线了一篇研究论文，来自斯坦福大学的化学工程学家鲍哲南教授和神经科学家陈晓科教授联手，展示了一款新型生物传感器，能够在自由活动的动物体内实时监测多巴胺、5-羟色胺等神经递质的动态变化。有了这款工具，将极大助力科学家们研究和诊断神经系统疾病、针对肠道微生物和脑-肠轴互动等开发新疗法。
科学家们将这种生物传感器起名为NeuroString。根据论文中的展示，非常柔软、具备拉伸性是这款新型探针的一大特点，它的外观就像一根线，植入活体动物的大脑或肠道可以生物组织无缝对接，不会干扰器官本身的功能。
论文第一作者Jinxing Li博士介绍，过去用于测量多巴胺和血清素的植入型探针由玻璃封装的刚性碳纤维制成，因此非常脆，不仅容易碎裂，植入后还会与软组织摩擦，造成细胞炎症。
而柔性传感器正是此次研究负责人之一鲍哲南教授多年里致力于开发的技术。例如学术经纬团队不久前就向读者朋友们介绍过鲍哲南教授领衔的实验团队开发了一款高亮度、可拉伸的柔性电子显示屏，可以像皮肤一样附着在手指或手臂上。
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（图片来源：Zhitao Zhang and Jiancheng Lai of Bao Group Research Lab）
此次新研究中，研究团队采用石墨烯制造探针。石墨烯是仅由单层碳原子组成的薄片材料，最早由英国曼彻斯特大学的Andre Geim教授与Konstantin Novoselov博士利用特殊胶带将石墨片层层剥离而获得，两人还因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖。
研究人员首先使用光刻技术将石墨烯与一种树脂材料结合，树脂含有的分子在石墨烯表面形成纳米颗粒点，可以在同时测量多巴胺和血清素时提高灵敏度和选择性。然后，他们将交联网格嵌入橡胶基质，由此大大增强了石墨烯材料的拉伸性能。
“这就好比剪纸。如果你在纸上剪刻出图案后把它拉开，会看到空心格纹相连的一张网。”鲍哲南教授解释，“这里也一样，只不过这张网是由石墨烯片制成。”
由此制成的探针NeuroString与脑组织、肠道黏膜等生物组织一样柔软，和橡皮筋一样有弹性，植入大脑或肠道时不会对组织造成伤害，还可以跟随肠道蠕动或是身体运动不断移动。
▲柔软可拉伸的NeuroString穿过小鼠的结肠（图片来源：参考资料[1]；Credit：鲍哲南实验室）
接下来，科学家们在小鼠身上检验了NeuroString的用处。他们将探针植入小鼠的大脑和肠道，然后给小鼠喂食了巧克力糖浆——摄入巧克力很快会让大脑神经细胞分泌多巴胺，肠道中则会产生血清素。果不其然，NeuroString清楚显示出脑中的多巴胺峰值和肠道中的血清素峰值。
另一项实验中，生物学家们还用NeuroString在肠道炎症小鼠体内检测到了肠道血清素不同于健康小鼠的独特模式。
“当我们第一次看到传感器发出信号的时刻令人惊喜万分！”这项研究的共同通讯作者陈晓科教授说，“在自由活动的动物身上长期记录多巴胺和血清素信号是我们一直想做的梦想实验。通过这次美妙的合作，我们得以实现。”
▲该研究的两位通讯作者鲍哲南教授和陈晓科教授（图片来源：参考资料[2]，Credit：Stanford Bio-X）
陈晓科教授指出，这款新工具将有望解决很多生物学问题。例如跟踪肠道中的血清素水平可能有助于诊断和监测肠易激综合征等肠道疾病，还能实时监测调节血清素水平起作用的抗抑郁药如何影响胃肠道。而跟踪脑中的多巴胺水平，与治疗帕金森病的深部脑刺激器相结合，医生可以精确控制释放的多巴胺量。
科学家们表示，他们还将进一步优化，提高这种传感器的空间分辨率、选择性和多功能性，将其与无线电子设备集成，并验证长期植入的性能。期待这种新技术在转化应用中大放异彩，也许有朝一日植入患者体内后，可以像智能手表监测心率那样用于实时监测体内化学物质的波动。
参考资料：
[1] Jinxing Li et al., (2022) A tissue-like neurotransmitter sensor for the brain and gut. Nature. Doi: 10.1038/s41586-022-04615-2
[2] Stretchable probe measures brain chemicals central to Parkinson’s, depression, and gut disease. Retrieved June 6, 2022 from https://biox.stanford.edu/highlight/stretchable-probe-measures-brain-chemicals-central-parkinson’s-depression-and-gut-disease
[3] Zhang, Z., Wang, W., Jiang, Y. et al. High-brightness all-polymer stretchable LED with charge-trapping dilution. Nature (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04400-1
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