具有多維協(xié)同納米敏感效應(yīng)的電化學(xué)傳感器探測神經(jīng)細(xì)胞的胞吐作用

神經(jīng)遞質(zhì)通過胞吐作用進行釋放是神經(jīng)生物學(xué)、生物化學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)和病理學(xué)等許多領(lǐng)域的基本生化事件。測試胞吐作用可以為帕金森病等精神疾病的藥物治療提供重要的分子作用基礎(chǔ)。此外，許多常用藥物（如抗病毒藥物和止痛藥物等）也可能影響神經(jīng)細(xì)胞的胞吐作用。

但由于神經(jīng)細(xì)胞的胞吐作用測量目前主要依賴于碳纖維電極（CFE）等精密測量儀器以及專業(yè)的實驗操作技能，制約了藥物對神經(jīng)細(xì)胞胞吐作用的調(diào)控研究。因此，亟需發(fā)展先進的測量方法來直接、便捷、高效測量神經(jīng)細(xì)胞的胞吐作用，進而加速研究藥物對神經(jīng)系統(tǒng)的影響。

近日，中科院上海微系統(tǒng)所許鵬程和李昕欣研究團隊在Nano Letters期刊上報道了一種具有多維協(xié)同納米敏感效應(yīng)的電化學(xué)傳感器，可以對神經(jīng)細(xì)胞的胞吐作用進行直接、實時檢測，為神經(jīng)生物學(xué)等多學(xué)科提供了一種新的研究方法。相關(guān)研究研究成果于2023年3月22日以“Functionally Collaborative Nanostructure for Direct Monitoring of Neurotransmitter Exocytosis in Living Cells”為題發(fā)表在當(dāng)期的Nano Letters上。

針對神經(jīng)細(xì)胞胞吐的直接檢測，李昕欣研究團隊發(fā)明并使用一種具有協(xié)同效應(yīng)的多維復(fù)合納米材料（MNG-1）作為電化學(xué)敏感材料，將其負(fù)載在絲網(wǎng)印刷電極上制成可拋棄式電化學(xué)傳感芯片。傳統(tǒng)的電化學(xué)傳感器主要用于測試均勻溶液中的多巴胺分子，現(xiàn)已有大量的文獻報道。

而李昕欣研究團隊報道的電化學(xué)傳感器使用了高靈敏的MNG-1敏感材料，可將神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺（DA）直接深度催化氧化成聚多巴胺（PDA），對DA的檢測下限優(yōu)于1pM。尤其是該敏感材料具有陣列式“天線狀”結(jié)構(gòu)，在具有超靈敏度的同時，還具有時空分辨率，可以對單細(xì)胞直至數(shù)十個細(xì)胞的胞吐作用進行同時檢測，因而可快速、方便地獲取到具有多細(xì)胞統(tǒng)計學(xué)意義的胞吐數(shù)據(jù)。

該方法無需在顯微鏡下進行高難度的單細(xì)胞封接操作，也不需要貼壁生長的細(xì)胞，只需將細(xì)胞分散液用普通的移液器滴加于傳感芯片上即可直接進行測試，耗時短。該測試僅需要使用實驗室中普通的電化學(xué)工作站，不再需要膜片鉗等操作難度非常高的昂貴大型儀器。

圖1 多維協(xié)同納米敏感材料（MNG-1）對多巴胺（DA）分子的電化學(xué)敏感性能。MNG-1納米材料具有陣列式“天線狀”三維立體形貌。該傳感器對DA的檢測下限（LOD）優(yōu)于1pM。

在本項研究中，選取了5種曾用的抗新冠病毒藥物，包括克力芝（洛匹那韋/利托那韋）、利巴韋林、羥氯喹(HCQ)、阿比朵爾和地塞米松（DXM）作為研究目標(biāo)，分別測試了其對胞吐作用的影響。研究結(jié)果顯示，克立芝和地塞米松可以明顯增強神經(jīng)細(xì)胞的胞吐作用；羥氯喹和利巴韋林則大幅抑制了胞吐作用，而阿比朵爾對胞吐作用沒有明顯影響。

除了上述抗新冠病毒藥物，該研究還進一步發(fā)現(xiàn)奧司他韋和布洛芬等藥物對胞吐都具有明顯的增強作用。該電化學(xué)傳感器不僅可以推進基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)研究，還可推動藥物的神經(jīng)作用研究，在多領(lǐng)域都展示出令人期待的應(yīng)用潛力。

圖2 五種抗冠狀病毒藥物對胞吐作用的影響結(jié)果。測試圖譜中的不連續(xù)尖峰即是由胞吐事件引起的傳感檢測信號。

審核編輯：劉清