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Nature:鲍哲南/陈晓科团队开发用于实时监测大脑和肠道信息交流的新型传感器

2022-06-02 16:59 生物世界

导读:该研究设计了一种基于石墨烯的柔性可拉伸神经化学生物传感器,并将其命名为——NeuroString。NeuroString 传感器可以同时针对性地实时检测大脑和肠道内的多种神经递质动力学。

人体内的软组织和器官是高度活跃的生化系统。其中,化学信使神经递质负责精确控制各种生物过程。

在中枢神经系统(CNS)中,多巴胺(DA)和 5-羟色胺(5-HT)在内的单胺类神经递质参与情绪、睡眠和记忆等认知过程的调节。已有大量研究证实,单胺信号传导失调是包括成瘾、重度抑郁症和帕金森病等精神和神经系统疾病的共同特征。

在中枢神经系统之外(外周神经系统),胃肠道(GI)系统中的 5-HT 占了人体 5-HT 的95%,紧密调节着肠道功能和微生物组。肠道来源的 5-HT 是肠道与大脑通讯系统(肠-脑轴)的重要组成部分。

因此,实时监测神经递质的动态对于了解神经元与其靶点之间的通讯状况,以及制定治疗神经和精神疾病的策略至关重要。然而到目前为止,研究活体动物和人体器官内生化信号的工具仍然十分有限。现有的刚性探针通常坚硬易碎,容易导致设备故障;而且对于柔软且结构弯曲复杂的肠道来说,还可能引发严重的炎症反应。因此,对活体动物 5-HT 的动力学进行实时监测一直存在挑战。

2022年6月1日,斯坦福大学化学工程系鲍哲南教授、生物系陈晓科教授团队合作,在 Nature 发表了题为:A tissue-like neurotransmitter sensor for the brain and gut 的研究论文。

该研究设计了一种基于石墨烯的柔性可拉伸神经化学生物传感器,并将其命名为——NeuroStringNeuroString 传感器可以同时针对性地实时检测大脑和肠道内的多种神经递质动力学。


这些发现显示了使用 NeuroString 传感器了解神经递质机制及其在脑-肠轴中作用的潜力。

总的来说,通过开发基于石墨烯-弹性体复合材料的传感器,研究团队证明了 NeuroString 可作为柔性生物传感器来监测活体动物大脑和肠道中单胺神经递质的动力学。由于具有类似活体组织的机械特性,NeuroString 传感器可以与胃肠道粘膜迅速连接,并与传统的医学检查设备(如内窥镜)兼容,以用于无创监测生物分子。

此外,NeuroString 传感器独特的弹性特性使其适合于同时监测来自中枢和外周神经系统的神经递质信号,并有望解决目前研究肠道化学动力学及其与微生物相互作用的技术局限。

研究团队表示,对 NeuroString 传感器的进一步研发计划,将聚焦于于利用微细加工和纳米加工技术以提高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功能性,并最终将传感器与无线电子设备集成以验证其长期植入的性能。

研究团队总结道,结合其卓越的生物相容性和灵敏度,NeuroString 平台或可成为在灵长动物体内研究各种信号传递生物分子和电生理信号的有力工具。

论文链接

http://www.1133230.com/43/articles/s41586-022-04615-2

来源:生物世界


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