《Science Bulletin》：A host-based antifouling gold nanotube sensor for the selective detection of mechanically sensitive serotonin release in intestinal mucosa
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肠道机械刺激下血清素（5-HT）释放的动态监测及免疫-机械信号整合机制研究。通过主客分子识别策略构建了抗生物膜污染、机械适应性强的Au@HCP NTs传感器，实现了细胞与组织水平的小分子实时监测，揭示了微生物 mimic 物激活TLR3/p38 MAPK通路增强5-HT合成及机械响应的分子机制，为肠脑轴疾病研究提供新工具。
Jiuxi Sui|Yuchan Zhang|Sen Wang|Yang Shen|Lianqun Zhou|Tiantian Su|Yi Li|Yangkun Liu|Hualin Lan|Qiang Zhou|Caihong Liu|Yue Zeng|Guixue Wang|Chenzhong Li|Guangchao Zang
重庆医科大学第二附属医院急诊科与学术事务办公室，中国重庆400016
摘要
肠道黏膜分泌在协调肠道微环境与机械信号方面起着核心作用。然而，由于肠道内独特的机械变形和高度生物污染的环境，对小分子的原位监测仍然存在挑战。在这里，我们介绍了一种受主-客体分子识别机制启发的传感接口。通过将2-羟基丙基-β-环糊精（HC）和聚(3,4-乙烯二氧噻吩)（PEDOT）共电沉积到导电金纳米管（Au NTs）框架上，构建了一种可拉伸电极。这种方法结合了Au NTs的耐变形电化学性能和HC对血清素（5-HT）的选择性识别能力，同时有效减轻了复杂生物环境中的生物污染。由此产生的Au@HCP NTs传感器能够在仿生刺激下动态捕获来自肠嗜铬细胞（ECs）的5-HT释放，实现了细胞和组织水平的检测。除了监测功能外，我们还将ECs的机械感觉可塑性视为一个免疫调节节点。多种微生物模拟物能够增强ECs产生的5-HT，该平台揭示了5-HT信号作为整合ECs中免疫信息与机械感觉的核心机制。总体而言，这项工作建立了一种基于主-客体识别机制的策略，用于在复杂、机械动态环境中实时监测小分子，为满足特殊机械需求下的原位传感提供了一条通用途径。
引言
肠道黏膜在整合和调节肠道微环境及其机械活动方面起着核心作用[1]，[2]。通过生化传感技术获取关键的分泌成分对于解码它们在肠道机械信号中的生理意义至关重要[3]，[4]。然而，动态的机械特性和复杂的生物环境给传感器开发带来了多方面的挑战。一方面，黏膜表面持续暴露于含有大量蛋白质、代谢产物和微生物的生物流体中，这增加了目标分子检测的复杂性和难度[5]。另一方面，刚性传感器通常与肠道组织的机械相容性较差，可能会阻碍生理变形并引入机械伪影[6]。因此，肠道传感器必须抑制非特异性干扰，保持机械顺应性，并能够在相似物种中精确检测目标分析物。
尽管存在这些障碍，电化学技术已经实现了对选定肠道黏膜成分的原位监测，并分析了它们在复杂环境中的作用[7]，[8]，[9]。柔性电化学传感器[10]，[11]，[12]（如基于胶囊和粪便颗粒的设计）已被用于在机械异质性肠道条件下量化动态小分子水平[13]，[14]。创新性地，黄的研究小组[6]，[15]开发了基于碳纳米管、金纳米管（Au NTs）和二氧化钛纳米粒子的可拉伸电化学传感器，并将这种传感器应用于研究在仿生蠕动条件下肠嗜铬细胞（ECs）的神经递质释放。受天然细胞膜抗污染特性的启发，毛的研究小组[16]，[17]报道了一种磷酸胆碱功能化的导电聚合物接口，该接口模仿了膜结构，在体内检测过程中有效屏蔽了非特异性生物大分子和多巴胺的氧化聚合产物，从而提高了特异性和稳定性。然而，即使抗污染性和机械顺应性有所提高，小分子之间的结构和电化学相似性仍然是精确区分目标的主要障碍。
主-客体识别理论[18]，[19]（特别是使用2-羟基丙基-β-环糊精（HC）等超分子宿主）为这些挑战提供了有希望的解决方案[20]。HC的疏水腔可以选择性包裹目标分子，从而提高灵敏度和特异性[21]，而其亲水外表面有助于排斥非特异性蛋白质的吸附[22]。通过将HC与聚(3,4-乙烯二氧噻吩)（PEDOT）共电沉积到Au NTs上，我们构建了一种具有选择性识别、抗污染性和机械适应性的柔性Au@HCP NTs接口。PEDOT是一种导电聚合物，具有优异的生物相容性，同时具有内在的抗污染性，其稳健的相容性允许进行各种修改以增强和赋予新的性能。同时，Au NTs形成了一个非晶态导电网络，在该网络中纳米管之间的相对滑动可以分散宏观变形，有助于保持电化学稳定性[23]，[24]。在这种架构中，HC不仅通过其亲水壳增强了PEDOT涂层在复杂流体中的抗污染性，还通过其内部疏水腔的拓扑结构实现了分子选择性富集，展示了其主-客体识别特性[25]。作为来自EC的神经递质，血清素（5-HT）整合了肠道微环境和机械信号[26]，[27]，[28]。5-HT是肠道黏膜中的关键神经内分泌物质，能够整合肠道内的生化信号（如营养物质、微生物代谢物和免疫信息）与机械信号（如肠道蠕动和内容物膨胀）。作为调节肠道运动的核心枢纽，5-HT不仅直接调节肠道功能，还通过影响炎症反应、免疫调节和脑-肠轴通路来影响内脏敏感性。其信号传导的失调会破坏生化信号与机械信号之间的协调，导致肠道疾病（例如肠易激综合症）的病理生理学[29]。然而，由于5-HT在结构和电化学上与儿茶酚胺（如多巴胺）相似，实现选择性的原位 5-HT监测仍然很困难。我们预期基于HC的接口可以改进5-HT的选择性，从而实现体内机械刺激与神经递质释放之间耦合的时空分析[30]。
在这里，我们开发了一种PDMS安装的Au@HCP NTs传感系统，以系统地解决肠道生物传感中的关键挑战。除了平衡抗污染性和机械顺应性外，主-客体策略还提高了小分子的选择性。我们开发了一种集成细胞或组织的传感器共培养系统，以研究机械刺激引起的5-HT释放[31]。实际上，我们将这种共培养系统应用于机械场景，并从整合免疫识别、机械感觉和神经内分泌机制的新视角重新审视了ECs及其释放的5-HT在调节肠道内生化和机械信号中的作用。利用这一传感系统，我们发现代表病毒、细菌和真菌的病原体相关模拟物可以增加ECs中的5-HT合成和机械诱导的5-HT释放。以Toll样受体3（TLR3）激动剂（聚肌苷酸-聚胞苷酸，poly(I:C)）为例，我们进一步探究了其潜在机制。机制研究表明，poly(I:C)激活了TLR3/p38 MAPK通路，并上调了机械敏感离子通道Piezo2以及血清素生物合成酶色氨酸羟化酶1（TPH1）。这些发现表明，病毒或残留的核酸可能通过激活模式识别受体来延长免疫调节的持续时间和空间范围。在这种情况下，ECs不仅作为传感器，还作为整合免疫和机械信号的信号放大器发挥作用。它们的敏感化可能会破坏5-HT信号系统，并导致肠道功能障碍。这一假设突出了一个潜在被忽视的研究目标：肠道内机械敏感细胞的机械感觉可塑性[32]。总体而言，我们的方法为设计适用于具有复杂环境和机械需求的动态生物系统的机械适应性、抗污染性和分析物选择性的生物传感接口提供了一个框架。
材料与仪器
材料与仪器
试剂包括NaAuCl4·2H2O、乙二胺（en）、2-羟基丙基-β-环糊精（HC）、3,4-乙烯二氧噻吩（EDOT）、盐酸血清素（5-HT）和聚(I:C)由Adamas提供，除非另有说明，其余分析级化学品也由Adamas提供。聚二甲基硅氧烷（PDMS）试剂盒由Dow Corning提供，而银纳米线（Ag NWs）来自XFNano。BON-1细胞购自上海Cafa Biotechnology Co., Ltd。水溶液
Au@HCP NTs的合成与表征
图1a和b分别展示了电极的制备过程和所制备的各种可拉伸传感器的形态。将HCP复合涂层电聚合到Au NTs表面，形成Au@HCP NTs传感器。将这些传感器集成到气球导管表面，用于检测肠道黏膜中的5-HT释放。为了阐明HCP复合涂层的电聚合机制，使用循环伏安法（CV）进行了评估
结论
本研究提出了一种基于超分子宿主2-羟基丙基-β-环糊精（HC）与聚(3,4-乙烯二氧噻吩)（HCP）杂化的电化学传感接口。通过整合主-客体分子识别元件、导电聚合物和一维工程纳米材料，该设计在肠道环境中实现了大分子阻挡、小分子精确识别和机械适应性之间的协同平衡。
致谢
本工作得到了中国科学院院长国际奖学金计划（PIFI）（2025PVA0186）、国家自然科学基金国际高级科学家研究基金（RFIS – III, W2531016）、深圳孔雀团队（KQTD20240729102029016）、深圳市医学研究基金（D250402001）、国家自然科学基金重点项目（12032007）和重庆市自然科学基金（CSTB2023NSCQ-MSX0232）的支持
