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可伸缩探针测量帕金森症、抑郁症和肠道疾病的核心脑化学物质

  脑化学失衡是许多神经系统疾病的核心。这些相同的大脑化学物质也在肠道健康中发挥作用。因此,斯坦福大学的科学家们发明了“NeuroString”——一种…

  脑化学失衡是许多神经系统疾病的核心。这些相同的大脑化学物质也在肠道健康中发挥作用。因此,斯坦福大学的科学家们发明了“NeuroString”——一种可以与大脑和肠道组织无缝连接的软植入式探针。他们在一篇论文中描述了该探测器。它在抑郁症、帕金森病和肠道疾病方面具有潜在的应用价值。

  “人们试图理解大脑的主流方式是阅读和记录电信号,”该论文的第一作者李金星说。“但化学信号在大脑交流中发挥着同样重要的作用,它们也与疾病直接相关。”李在斯坦福大学化学工程系鲍哲南实验室开始并担任博士后工作;他现在是密歇根州立大学生物医学工程系的助理教授。
研究人员通过将探针穿过一段小鼠结肠,展示了灵活和有弹性的 NeuroString 技术的优势

  NeuroString 测量多巴胺和血清素,这两种化学信使可调节神经元中的电信号。多巴胺以其在大脑奖赏系统中的作用而闻名。血清素是百忧解等抗抑郁药的目标。两者都与运动、睡眠、食欲和消化有关。

  测量多巴胺和血清素的植入物已经存在,但它们是由装在玻璃管中的刚性碳棒制成的。“那些是非常坚硬的探针。它们非常脆弱,”李说。植入物不仅会破碎,还会摩擦大脑中的软组织,这会使脑细胞发炎并降解植入物。

  鲍的实验室设计了一个软探针。“我的团队制造软电子产品已经有很长一段时间了,”斯坦福大学工程学院 KK Lee 教授兼化学工程系系主任鲍说。探针由石墨烯制成,石墨烯是一种原子薄的碳。鲍的团队使用激光将李所描述的“石墨烯的毛茸茸的纠缠网络”雕刻到塑料中。塑料中的分子在石墨烯表面变成纳米粒子点,可以提高同时测量多巴胺和血清素的灵敏度和选择性。然后研究人员将网络嵌入橡胶基质中。

  “石墨烯本身不是很可拉伸,但如果它被缠成网状并嵌入橡胶中,那么它就会变得可拉伸,”李解释说。

  鲍补充说:“这就像一个剪纸。如果你把图案剪成然后你可以拉伸它,你会看到某种空心连接的纸网络。这里是一样的,但网络是由石墨烯片制成的。”NeuroString 具有与生物组织相同的柔软度。“传感器柔软而有弹性,就像橡皮筋一样,植入大脑或肠道时不会造成伤害,不仅柔软而且可以不断移动,”鲍说。

  为了测试这个探针,鲍的团队与斯坦福大学生物学、精神病学、胃肠病学和外科的科学家合作。“我认为这是斯坦福大学最有特权的部分:它非常开放和协作,”李说。

  在一项实验中,研究小组将 NeuroString 植入同一只老鼠的大脑和肠道。当他们给老鼠喂巧克力糖浆时,NeuroString 检测到大脑中的多巴胺峰值和肠道中的血清素峰值——这两者都是对巧克力的预期反应。多巴胺是在大脑中产生的,而血清素主要是在肠道中产生的。在另一项实验中,与健康小鼠相比,NeuroString 检测到肠道炎症小鼠肠道血清素的独特模式。

  “我们第一次看到来自探测器的信号是一个灵光乍现的时刻,”共同作者、生物学副教授陈晓科说。“在自由移动的动物中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。通过这种美妙的合作,我们能够实现它。”

  植入的小鼠表现和进食正常,并且排便正常。“该工具令人兴奋的是,它似乎并没有破坏组织的正常功能,”共同作者、医学教授 Aida Habtezion 说。她说,这意味着有朝一日该植入物可以用于人类的实时监测,类似于智能手表,但能够跟踪生化水平而不是心率或步数。Habtezion 目前正在休假并担任辉瑞的首席医疗官,但在她还在斯坦福大学时就为这项工作做出了贡献。

  跟踪肠道中的血清素水平可能有助于诊断和监测肠道疾病,如肠易激综合征。跟踪大脑中的多巴胺水平可能对帕金森病有用,帕金森病是由缺乏多巴胺引起的。帕金森病的治疗方法之一是深部脑刺激,其部分作用是刺激神经元产生更多的多巴胺。如果深部脑刺激器可以与 NeuroString 配对,这将使医生能够精确控制释放的多巴胺量。

  该植入物尚未准备好用于临床。一方面,探头仍然连接在读取信号的电线上;人们需要无线版本。同时,该探针在研究中有许多用途。例如,像百忧解这样的抗抑郁药通过调节血清素水平起作用,这可以解释为什么它们有时会引起胃肠道副作用,陈说。“我们现在有了工具,可以实时监测这些药物对小鼠模型大脑和肠道中血清素波动的影响。”

  他补充说:“既然我们已经证明该探针是有效的,那么我们想要解决的生物学问题就很长了。”

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