鲍哲南/陈晓科最新Nature

▲第一作者：Jinxing Li, Yuxin Liu, Lei Yuan

通讯作者：鲍哲南, 陈晓科 

通讯单位：美国斯坦福大学

DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-04615-2

01
研究背景

神经递质在中枢神经系统和胃肠道等外周神经回路中起着重要的调节作用。对它们的实时监测将可为神经功能和疾病诊断提供重要信息。然而，当前用于监测体内神经递质动态的生物电子工具还不发达，尤其是在肠道神经系统方面。这主要是由于能用于检查人体的柔软、复杂和活动的器官的生物传感工具十分有限。

02
研究问题

本文介绍了一种具有组织模拟、可伸展的神经化学生物界面设备，称为NeuroString(神经串)。它是通过将金属络合的聚酰亚胺激光图案化并嵌入到弹性体中的相互连接的石墨烯/纳米颗粒网络中而制备的。通过NeuroString传感器，我们可以在行为正常的小鼠的大脑中进行实时和多通道的慢性单胺感测，还可以测量肠道中的血清素动力学而不会受到不必要的刺激和蠕动。本文所介绍的具有弹性和可整合的生物传感设备在研究神经递质对肠道微生物、脑-肠道通信的影响方面具有广泛的潜力，并最终可能扩展到身体其他软器官的生物分子传感应用之中。

03
图文解析

▲图 1 |用于感知大脑和肠道中神经递质的NeuroString。

要点：

1. 本文介绍了一个柔软和可伸缩的基于石墨烯的生物传感神经接口，称为“NeuroString”，它可与中枢神经系统和胃肠道组织无缝对接，并能够实时同时监测两个组织中的单胺动力学(图1a-d)。

2. 石墨烯具有良好的生物相容性、在快速扫描循环伏安法(FSCV)下的高超电容响应、对胺氧化的已知催化活性以及由于其原子级厚度而在弯曲、拉伸和扭转时的高机械柔度，因此被选为电极材料。然而，石墨烯单层在不到5%的应变下破裂。因此，本文通过将表面修饰有过渡金属纳米颗粒的激光诱导石墨烯纳米纤维网络嵌入到SEBS弹性体矩阵中来解决这个问题，以实现高的柔软性和可伸缩性，同时保持纳米材料的独特电化学性质(图1a)。

3. 本文首先研究了石墨烯-弹性体复合材料的变形机理。μ-CT显示，石墨烯纳米纤维在转移并嵌入到SEBS弹性体中后，仍然保持着相互连接的3D网络(图1e)。当拉伸到100%应变时，石墨烯纳米纤维网络沿拉伸方向排列，这可能有助于保持导电路径。然后，本文表征了不同激光功率水平下自支撑复合材料的延伸性。通常，较高的激光功率会导致弹性体中石墨烯负载量的增加，因为较厚的聚合物层变得碳化。图1f中的拉应力测量表明，石墨烯-弹性体复合材料表现出比整齐的SEBS弹性体高得多的应变(>1700%)。

▲图 2 |NeuroString电极在溶液中的电化学传感性能。

要点：

1. 接下来，本文研究了NeuroString电极的电化学性质。在DA和5-HT同时存在下的体外循环伏安测试表明，与仅由石墨烯、含有NiO纳米颗粒的石墨烯和商业碳纤维制成的电极相比，由Fe₃O₄纳米颗粒修饰过的石墨烯电极具有最好的选择性和灵敏度来区分DA和5-HT(图2a)。

2. 由于只有石墨烯的横截面用作传感电极(如图2b所示)，本文发现，沿不同方向拉伸器件对电极阻抗(<1000 Hz)的影响很小，这对应在应变下的基线稳定。同样，NeuroString电极在制成阵列后或在不同pH下的阻抗依然是稳定的。

3. NeuroString电极还显示出稳定的氧化电流，当拉伸到50%应变时，幅度下降<10%(图2c)，这为活跃运动的组织和器官提供了稳定和准确的神经化学动力学监测。 

4. NeuroString可检测到多种单胺类神经递质，包括DA、去甲肾上腺素(NP)、5-HT(5-HT)和肾上腺素(EP)，其检测下限分别为5.6 nM、7.2 nM、3.5 nM和6.6 nM。通过观察到从10 nM到1 μM的线性响应曲线和不同pH范围内相对稳定的电流响应(图2c-e)，本文发现，当浓度高于1 μM时，FSCV传感的线性度开始下降，而计时电流法在μM范围内显示出更好的5-HT传感线性。神经串还允许同时检测5-HT和其他儿茶酚胺(去甲肾上腺素和肾上腺素)，其选择性则在亚μM范围内。另外，高压灭菌 (121℃)对其感官性能的影响极小，这有利于其在生物体内的应用。

▲图 3 |大脑中的神经化学传感实验。

要点：

1. 本文还使用神经串来监测小鼠大脑中体内神经递质的动态变化。NAC是VTA接受DA神经元投射的主要区域之一。本文定向地将依赖于Cre的腺病毒(AAV-DIO-ChR2)注射到DAT-Cre小鼠的VTA中，以在DA神经元中特异性地表达ChR2，并在NAC和VTA中植入一个三通道NeuroString传感器(尺寸为90×50 μm²)和一根用于光遗传刺激的光纤(图3a)。

2. 使用FAST-FSCV(从−0.4V到1.3V的三角波形扫描)，在VTA中提供激光刺激后，在NAC中实现了多通道DA检测(图3b，c)。还测定了不同刺激频率下DA释放的峰值 (图3d，e)。在重复光刺激(图3f)后，实现了对DA时相释放的快速检测，表明NeuroString的时间分辨率为亚秒。

3. 为了测试在自由活动的动物中，神经串感知行为相关的内源性DA释放的能力，本文将NeuroString植入小鼠的NAC中，以测量奖励学习和恐惧消退期间的DA动态。在奖励学习实验中，自由移动的小鼠被训练成将听觉提示与随之而来的水奖励联系起来(图3g-l)。

▲图 4 |胃肠道系统中的神经化学传感实验。

要点：

1. 除了中枢神经系统的神经化学传感外，NeuroString还特别适合于在胃肠道中进行体内神经化学传感。5-HT是一种重要的肠道信号分子，它有助于激活内源性和外源性GI反射，并对微生物有很强的影响(图4a)。 

2. 为了研究5-HT在活动性肠道中的动力学，本文首先验证了小鼠肠道神经弦在体外蠕动运动下的机械顺应性。将没有内容物的整个小鼠结肠组织放入充满Krebs的浴缸中。图4b显示，由于SEBS和结肠粘膜都是柔软和疏水的，所以神经串可以很容易地与小鼠结肠粘膜连接并附着在粘膜上。时间推移图像(图4c)显示，在电化学测量过程中，当将神经线放置在肠腔中时，小鼠结肠表现出持续的收缩和松弛。

04
小结

总之，通过开发基于石墨烯-弹性体复合材料的传感器，本文证明了NeuroString作为软生物电子界面的作用，即监测活体大脑和肠道中单胺神经递质（包括DA和5-HT）的动力学。因为具有类似组织的机械特性，所以NeuroString可以与GI粘膜紧密连接，并且与传统的医学检查设备（如内窥镜检查）兼容，可用于非侵入性生物分子监测。NeuroString允许在小鼠CNS中进行长期稳定和多路复用的神经化学传感。在胃肠道中，NeuroString的可拉伸性和柔软性提供了与肠组织的高度顺应性，而不会干扰蠕动运动并且不会引起不希望的刺激。NeuroString独特的弹性特征使其适用于同时监测来自中枢神经系统和外周神经系统的神经递质信号，并有可能解决研究肠道化学动力学及其与微生物相互作用的当前技术限制。进一步的发展将致力于使用微制造/纳米加工来改善传感器的空间分辨率，通过结合不同的分子识别探针来提高其选择性和多重性，并最终将其与无线电子设备集成并验证其长期植入性能。将优异的机械性能与石墨烯表面化学提供的化学传感的多功能性相结合，本文预计NeuroString平台可适用于研究灵长类动物体内各种信号生物分子和电生理信号的情况。

原文链接：

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

相关推文：

相关推荐1. 仪器表征基础知识汇总2. SCI论文写作专题汇总3. Origin/3D绘图等科学可视化汇总4. 理论化学基础知识汇总5. 催化板块汇总6. 电化学-电池相关内容汇总贴7. 研之成理名师志汇总

更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。