Nature：斯坦福大学团队研发新型大脑和肠道神经递质监测传感器
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人体软组织和器官是高度活跃的生化系统，包括神经递质和激素在内的各种生物分子精确地控制各种生物过程。神经递质在中枢神经系统和外周神经环路（包括胃肠道）的调节中起着至关重要的作用。实时监测这些神经递质为了解神经功能和诊断疾病提供了关键信息。然而，由于能够检查柔软、复杂和活动器官的生物传感工具有限，所以用于监测体内（尤其是肠道神经系统）的神经递质动态的生物电子学工具尚不发达。
2022年6月1日，斯坦福大学Zhenan Bao教授研究团队，于Nature 发文介绍了一种组织模拟的、可伸展的神经化学生物界面，称为神经线NeuroString。该界面通过将金属络合的聚酰亚胺激光图案化到嵌入弹性体中的互连石墨烯/纳米粒子网络中进行制备。
NeuroString传感器可以在行动正常的小鼠大脑中实时、多通道和多路地进行慢性单胺传感，还可以测量肠道中的五羟色胺动态，而无需不必要的刺激和蠕动。这种弹性的、可整合的生物传感界面在研究神经递质对肠道微生物、脑-肠通信的影响方面具有广泛的潜力，并可能扩展应用于全身其他软器官的生物分子传感。
团队介绍：
通讯作者Zhenan Bao，美国国家工程院，美国艺术与科学学院和美国国家发明家学院的成员,于2021年当选为中国科学院外籍院士，斯坦福大学人文与科学学院化学工程系教授，创立了斯坦福可穿戴电子计划（eWEAR）。
用于感知大脑和肠道中神经递质的NeuroString
研究人员通过将纳米级石墨烯/氧化铁纳米颗粒网络限制在弹性体（SEBS）中构建了高度柔软、可伸缩，同时保持纳米材料独特电化学性质的复合材料，将其作为生物传感神经接口，即NeuroString，用于与CNS和GI组织无缝对接，并实现实时同步监测两种组织中单胺动力学的研究。
植入小鼠大脑的神经线使用普鲁兰涂层来帮助植入，涂层在植入后溶解。微型计算机断层扫描(μ-CT)图像显示高度灵活的神经线可以非侵入性地进入小鼠扭曲的结肠，这表明神经线与软器官的兼容性良好。
关于石墨烯-弹性体复合材料的变形机理的探究，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。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。
拉应力测量也表明，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。此外，复合材料的方块电阻在50%应变下是稳定的，所有激光功率的产物的变化均小于200%。
图一：用于感知大脑和肠道中神经递质的NeuroString
NeuroString电极在溶液中的电化学传感性能
接下来，研究人员研究了NeuroString电极的电化学性质。石墨烯的横截面用作传感电极，在多巴胺和5-羟色胺同时存在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品碳纤维修饰的电极相比，修饰了Fe3O4纳米颗粒的石墨烯电极选择性和灵敏度最佳。
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%，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。
NeuroString能够检测到多种单胺类神经递质，包括多巴胺（DA）、去甲肾上腺素(NP)、5-羟色胺(5-HT)和肾上腺素(EP)，FSCV的检测下限分别为5.6 nM、7.2 nM、3.5 nM和6.6 nM(是噪声标准差的3倍)。在10 nM~1μM范围内观察到线性响应曲线，在不同pH范围内有相对稳定的电流响应。
图二：神经串电极在溶液中的电化学传感性能
大脑中的神经化学传感
接下来，研究人员使用NeuroString来监测小鼠大脑中体内神经递质的动态变化。伏隔核(NAC)是腹侧被盖区(VTA)接受DA神经元投射的主要区域之一。结合光遗传学及病毒策略，在NAC和VTA中植入三通道NeuroString传感器和一根光纤用于光遗传刺激。
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，并测定了不同刺激频率下DA释放的峰值([DA]max)。在重复光刺激后，研究人员实现了对DA时相释放的快速检测，表明NeuroString的时间分辨率为亚秒。
随后，为了测试在自由活动的动物中，NeuroString感知行为相关的内源性DA释放的能力，研究人员将神经串植入小鼠的NAC，以测量奖励学习和恐惧消退期间的DA动态。并通过奖励学习实验范式以及恐惧条件反射和消退训练范式训练小鼠，通过神经弦记录过程中多巴胺信号的变化。
此外，研究人员还使用光遗传学方法激活中缝背核(DRN)神经元，并使用NeuroString测量SERT-CRE小鼠杏仁基底外侧核(BLA)的光刺激5-羟色胺反应。还使用NeuroString来检测药物化合物诱导的神经递质的释放。
检测结果均表明，与传统的硬质探针相比，软质神经线具有更好的生物相容性，选择性及灵敏度更佳，并且引起的不良组织反应更少。
图三：大脑中的神经化学传感
胃肠道系统中的神经化学传感
为了研究5-羟色胺在活动性肠道中的动力学，研究人员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。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。
延时图像结合结肠运动分析显示，在电化学测量过程中，当将NeuroString放置在肠腔中时，小鼠的结肠表现出持续的收缩和松弛，不会诱导肌电慢波诱导的机械收缩和结肠移行运动复合体(CMMC)的潜伏期，相比相同尺寸的柔性(但不可拉伸)聚酰亚胺纤维更优。
在行为上，结肠中NeuroString的存在也不会影响小鼠在野外测试中的活动或粪便输出。肠嗜铬细胞(EC)位于肠道上皮细胞内，并储存大量的5-羟色胺。肠道迷走神经传入对机械刺激特别敏感，因为胃肠道壁的感觉末端有丰富的机械感受器来触发5-羟色胺的释放并增强蠕动反射。
当使用NeuroString时，实时5-羟色胺记录显示，在结肠蠕动期间，5-羟色胺浓度稳定。这些结果均证实了NeuroString的机械顺应性是唯一足以减少对活动器官的生理状态的干扰，同时保持数据记录高保真度的。
5-羟色胺通过激活5-羟色胺受体，在肠粘膜中既是促炎信号分子又是抗炎信号分子。随后，研究人员探索了NeuroString是否可以在炎症性肠病小鼠模型中，非侵入性监测5-羟色胺水平在胃肠道炎症发展过程中的变化。
结果表明，5-HT可以作为肠道炎症的生物标志物，而NeuroString的整合可以用于炎症性肠病的诊断和人类肠道化学的研究。
图四：胃肠道系统中的神经化学传感
总 结
中枢神经系统(CNS)中，单胺类信号如多巴胺(DA)和5-羟色胺(5-HT)等参与调节情绪、觉醒和记忆等认知过程。胃肠道(GI)系统作为肠道-脑通讯系统的重要组成部分，其中的5-HT占机体5-HT的95%，调节肠道功能和微生物区。因此，监测神经递质的动态变化对于了解神经元与其靶点之间的联系以及制定治疗神经调节策略是必不可少的。
神经探针和生物电子学的最新进展主要集中在开发软的或小型化的电生理装置，以往研发多为刚性和脆性的，并且传感功能的可调性有限。这些僵硬的探头可能会导致早期设备故障或严重的炎症反应。
本篇文章提到的NeuroString通过将纳米级石墨烯/氧化铁纳米颗粒网络限制在弹性体（SEBS）中构建了高度柔软、可伸缩，同时保持纳米材料独特电化学性质的复合材料，将其作为生物传感神经接口，用于与CNS和GI组织无缝对接，实现了实时同步监测两种组织中单胺动力学的研究，扩展应用于软组织和器官前景广泛。
参考文献
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, Pașca 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.
编译作者：zouki（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
