一种用于监测胆碱能药理学反应的可植入神经芯片，集成电化学传感与光遗传学刺激

《Device》：Implantable neural chip with electrochemical sensing and optogenetic stimulation for monitoring of cholinergic pharmacological responses

　　

全局视角

在阿尔茨海默病中，大脑胆碱能系统的紊乱会导致学习和记忆方面的问题。多奈哌齐等药物通过抑制乙酰胆碱酯酶（AChE），减缓乙酰胆碱（ACh）的降解，延长其在突触间隙中的可用性，从而有助于缓解认知症状。直接监测局部ACh水平可以揭示大脑对药物的反应，并为治疗评估提供支持。电化学传感技术能够在不采集样本进行外部分析的情况下实现连续局部测量。然而，ACh难以检测，因为其含量极低、不会自然产生电信号，且必须与其他电化学活性分子区分开来。微型化传感器必须容纳足够的酶、高效检测反应产物、排除干扰，同时支持无线运行。在此，我们开发了一种可植入式无线神经芯片，该芯片结合了多孔催化电极、差分ACh传感和光遗传学刺激，并在小鼠和迷你猪中进行了评估。

亮点

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可植入神经芯片集成了乙酰胆碱传感与光遗传学功能

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壳聚糖多孔结构结合Ag@Pt纳米线实现了高灵敏度乙酰胆碱检测

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差分传感技术在乙酰胆碱检测过程中排除电化学活性干扰物

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无线系统在迷你猪中监测多奈哌齐诱导的乙酰胆碱变化

摘要

体内监测乙酰胆碱（ACh）动态变化有助于评估药理学反应，包括用于阿尔茨海默病治疗的乙酰胆碱酯酶（AChE）抑制剂是否在活体大脑中产生了预期的胆碱能反应。然而，其效能受到灵敏度、电化学活性干扰和有源仪器装置的局限。在此，我们开发了一种可植入式无线神经芯片，集成了ACh传感和光遗传学刺激功能，用于实时药理学监测。该芯片集成了具有Ag@Pt纳米线的壳聚糖多孔电极以提高灵敏度，双面双工作电极构型以排除干扰物，蓝色微发光二极管（μLED）用于光遗传学刺激，以及微型化无线电位计系统。在转基因小鼠模型中验证了光遗传学刺激期间的ACh动态变化。在迷你猪模型中，无线监测了经美国食品药品监督管理局批准的AChE抑制剂盐酸多奈哌齐的药理学反应。

图形摘要