离子选择性电极在动物模型中的体内应用：从单次测量到长期监测

《Science Bulletin》：Ion-selective electrodes for in vivo applications in animal models: from single-time measurement to long-term monitoring

摘要

离子浓度是多种生物过程的关键调节因子，包括信号传导、心律和脑功能等。离子稳态的紊乱与神经系统疾病、心脏功能障碍和糖尿病等慢性疾病密切相关，这凸显了体内长期、实时定量监测离子水平的必要性。然而，传统的离子监测技术往往无法满足这些需求。离子选择性电极（ISEs）已成为应对这些挑战的有前景的工具。本综述考察了ISEs在动物模型中的发展及其最新的体内应用，讨论了其构型与传感机制，并总结了提升其性能的通用设计策略。本综述旨在为开发更加稳健的ISEs提供指导，使其能够在体内连续且精确地监测离子动态变化，从而推动临床前生物学研究并支持未来的临床转化。

引言

离子在生理过程中发挥着基础性作用，作为结构组分、信号介导因子以及稳态的关键调节者[1]。主要离子，包括钾离子（K⁺）、钠离子（Na⁺）和氯离子（Cl^?），调节膜电位、电信号和渗透平衡[2]；而钙离子（Ca²⁺）作为第二信使介导肌肉收缩、神经递质传递和基因调节[3]。氢离子（H⁺）和碳酸氢根离子（HCO₃^?）维持酸碱稳态[4], [5]。镁离子（Mg²⁺）作为关键酶辅因子促进酶促催化和能量代谢[6]；而铵离子（NH₄⁺）则参与氮代谢和神经递质循环[7]。总体而言，这些相互关联的离子功能支持着广泛的必需生理过程，从心律、神经肌肉信号到肾脏与脑功能（图1a）[8], [9], [10]。

离子稳态受到精密调节；因此，离子浓度即使出现微小波动，也可能导致严重的病理后果（图1b）[11]。Na⁺与K⁺稳态失调与神经系统疾病和心律失常密切相关[9], [12]。例如，低钠血症（血清Na⁺浓度<135 mmol L^?1）可导致脑水肿和神经功能障碍[13]；而低钾血症（血清K⁺水平<3.0 mmol L^?1）和高钾血症（血清K⁺浓度>5.5 mmol L^?1）均可引发危及生命的心脏异常[14], [15], [16], [17]。异常Ca²⁺信号会扰乱神经肌肉兴奋性，并通过细胞内钙超载促成神经退行性疾病[18], [19]。类似地，酸碱平衡紊乱，特别是伴有HCO₃^?水平降低的代谢性酸中毒，与危重症和多器官功能障碍强烈相关[20]。在慢性肾病等慢性疾病中，电解质调节能力的进行性下降进一步凸显了持续离子监测对指导诊断和治疗的重要性[21]。

重要的是，体内离子浓度具有高度动态性，在疾病进展和治疗干预过程中可能快速波动[22], [23]。基于采血的常规间歇性测量往往无法捕捉瞬时离子变化或病理状态的持续演变[24], [25]。因此，需要能够实现实时、长期且微创体内离子监测的技术，以阐明疾病机制并评估生理状态。

尽管已开发出各种分析技术来满足这一需求，但复杂的生化环境和长期监测的要求对这些技术提出了严格要求，包括高灵敏度、选择性、稳定性、时空分辨率和生物相容性。目前，动物体内离子监测中常用的技术包括微透析、光学指示剂和电化学离子传感器。微透析通过插入生物组织、配备半透膜的导管对目标离子进行采样和分析，具有良好的分析特异性，但时间分辨率有限且不适合长期植入[26], [27], [28]。光学指示剂，包括GCaMP6f等荧光离子探针，可实现强大的离子动态可视化，但通常依赖于相对信号变化而非绝对离子定量，且受光漂白和长期稳定性不足的局限[29], [30], [31]。相比之下，电化学离子传感器，特别是电位法离子选择性电极（ISEs），具有高灵敏度、选择性、时空分辨率和微创性，使其在单点测量和长期体内监测中极具吸引力[32], [33], [34]。通过合理设计和系统优化，电化学ISEs已成为体内实时定量离子传感的有前景的平台。

在本综述中，我们总结了用于动物模型体内应用的电化学ISEs的发展，涵盖传统基于玻璃的固态接触设计以及新兴的可降解和无线系统。我们特别强调在复杂生物环境中实现稳定、长期离子监测的设计策略，重点关注在机械顺应性、微型化和微创植入方面具有独特优势的可弯曲和光纤形ISEs。我们考察了器件架构从液接构型到固接构型的演变，并进一步突出整体式（单块式）架构作为最大限度减少内部界面的未来有前景方向。我们分析了植入式ISEs所面临的关键挑战，包括电位漂移、机械失配、生物污损、材料毒性和长期校准与信号可靠性，并结合界面化学和材料工程的进展进行讨论。最后，讨论了AI辅助设计与可重复制造、多功能和多模态集成、无线监测、临床转化与可扩展制造，以及AI驱动闭环调控与自校准等新兴方向。总体而言，这些进展可能加速电化学ISEs转化为可靠的植入平台，用于疾病研究和精准健康监测。

章节摘要

从pH测量到选择性离子传感

ISEs的发展在很大程度上是由生物环境中对可靠离子测量日益增长的需求所推动的。早期生理研究产生了准确测量H⁺的需求，促使20世纪初玻璃pH电极的问世。随后高阻抗放大器的引入使得实用的便携式电位测量成为可能，确立了玻璃pH电极作为生理研究重要工具的地位[35], [36]。

随着

基本原理

ISEs可大致分为两种构型：含有内部填充液的液接式ISE（图3a）以及包含固接层的全固态ISE（图3b–f）。前者是广泛用于常规分析的成熟技术；后者则用固态接触传导层取代了内部填充液，从而实现了器件微型化和稳定的长期监测。无论采用何种构型，其传感机制均为

液接式ISE：从体外到单次体内测量

液接式ISE为在细胞、组织和动物水平测量离子稳态提供了早期的实验基础，产生了关于K⁺、Na⁺、Ca²⁺和Cl^?生理作用的重要洞见[80], [81], [82]。

在细胞水平上，基于玻璃微电极的ISE具有极高的空间分辨率，可实现细胞内和局部细胞外离子浓度的直接测量。这些工具已被用于定量K⁺、Na⁺、Ca²⁺和Cl^?

长期体内应用的关键挑战

将体内ISE运行从单次测量扩展到长期监测，会引入无法仅由初始灵敏度或选择性所涵盖的挑战。在数天至数月的时间跨度内，ISE组成、内部界面、电极-组织力学、表面性质和参比电位等方面的细微变化会逐渐损害定量准确性。因此，可靠的长期体内监测不仅要求稳定的离子识别，还需要

体内ISE的下一代设计与临床转化

随着植入式ISE向长期监测和最终临床应用推进，研究日益聚焦于若干互补方向，包括数据驱动的传感器设计、多模态传感与系统集成、全植入无线平台、可扩展制造与临床转化以及闭环治疗调控（图6）。这些发展并非孤立地改进单一传感器特性，而是强调

展望与结论

ISEs已从常规分析工具发展为多功能植入平台，用于研究离子在生理和病理过程中所扮演的角色。其高灵敏度、选择性、快速响应以及微型化潜力使得在从单个细胞到组织和活体的多个生物尺度上实现离子测量成为可能。特别是，全固态ISE的发展拓展了长期体内离子

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

致谢

本研究得到国家自然科学基金委（T2321003、T2596011、T2596012和22335003）、科技部（2022YFA1203001和2022YFA1203002）、青年学者科学研究创新能力支持项目（ZYGXQNJSKYCXNLZCXM-M7）以及SMCST（25CL2900505和24ZR1407300）的支持。

作者贡献

Yiqing Yang提出了构思、撰写了手稿并制作了所有图形。Jiajia Wang参与了初稿的撰写。Zhanao Hu、Songlin Zhang和Huisheng Peng对稿件进行了修改。Xuemei Sun负责监督工作，

Yiqing Yang|Jiajia Wang|Zhanao Hu|Songlin Zhang|Huisheng Peng|Xuemei Sun