一种既可用于体外也可用于体内的实时5-羟色胺监测系统

《Biosensors and Bioelectronics》：A real-time 5-hydroxytryptamine monitoring system applicable both in vitro and in vivo

　　

杨刘红|任世春|王嘉峰|戴戈|莫凤凤

中国上海200433，海军医学大学海军医学系海军营养与食品卫生学系，香荫路800号

摘要

本研究旨在解决实时监测神经递质5-羟色胺（5-HT）的难题。5-羟色胺是大脑中重要的化学信号分子，其动态变化对于理解神经系统疾病具有重要意义。虽然电化学方法在实时检测方面具有很大潜力，但现有方法在生理环境中的稳定性以及精确的时空测量方面存在局限。为克服这些障碍，研究人员开发了两种电化学系统：一种用于监测细胞中5-羟色胺的分泌情况，另一种用于追踪小鼠大脑中的5-羟色胺浓度。通过用特定纳米复合材料增强电极的敏感度和选择性，细胞系统能够成功实时分析大鼠胰岛素瘤细胞中的5-羟色胺分泌动态，其性能可与传统方法相媲美。而神经接口系统则能有效地追踪活体小鼠多个脑区的5-羟色胺浓度变化，并检测外部干预所引发的变化。这些平台使得在细胞和活体生物体内都能实时监测5-羟色胺的动态变化，为需要实时监测神经递质的研究提供了巨大潜力。

引言

神经系统疾病和精神疾病占全球疾病负担的7%，严重影响了人们的生活质量，也给家庭和社会带来了沉重负担（“BRAIN Initiative 2.0：从细胞到电路，迈向治愈”，无日期）。阐明这些疾病的发病机制仍是重大的科学挑战。5-羟色胺，也称为5-羟色胺酸，是一种重要的单胺类神经递质，参与多种生理和心理过程（Squires等人，2006；Baranwal和Chandra，2018；Madhurantakam等人，2020）。在体内，5-羟色胺的水平受到严格调控，以维持正常的5-羟色胺信号传导通路（Ashraf等人，2021；Khoshnevisan等人，2019）。5-羟色胺信号传导异常与抑郁症、焦虑症、性功能障碍、帕金森病和阿尔茨海默病等相关（Sharma，2018）。因此，监测5-羟色胺的动态变化对于了解神经元与靶细胞的通讯机制以及开发治疗性的神经调节策略至关重要。

近几十年来，神经化学分析技术发展迅速，但在活体系统中实现实时监测神经递质仍然面临挑战。传统的检测方法，包括在线微透析-毛细管高效液相色谱法（J. Zhang等人，2013）、液相色谱-串联质谱法（LC-MS/MS）（Kumar等人，2024）以及高灵敏度酶联免疫吸附测定法（ELISA）（Scarsella等人，2020），虽然能够灵敏且特异性地检测5-羟色胺，但通常需要体积较大的仪器、受过专业培训的人员、大量试剂以及较长的分析时间，这限制了其在便携式和连续性应用方面的发展。而基因编码的荧光传感器，如GRAB_5-HT1.0，则能够在亚秒级时间内实现高分子选择性和快速响应的体内成像（Wan等人，2021）。不过，这类传感器的使用仍依赖于基因传递和光学成像技术，从而增加了实验的复杂性和成本。鉴于复杂的体内环境和脆弱的组织结构，5-羟色胺传感器需要具备高选择性、良好的时空分辨率、长期稳定性，以及与不同生物学环境的兼容性（Zhang和Beyer，2006）。因此，电化学传感作为一种具有快速响应、高时空分辨率、便携性强且成本低廉的检测方法，有望用于体内神经化学物质的监测（Marc等人，2011）。与现有的5-羟色胺检测方法相比，我们所开发的系统具有二级响应特性，检测下限为22–38 nM，线性范围宽达25 nM–100 μM，且能够稳定运行长达9天（表S1）。这些优势使得该系统适用于在体外细胞系统和活体动物模型中进行便携式的连续5-羟色胺监测，可弥补传统分析方法和基于荧光的成像方法的不足。

采用相同的改性策略，我们构建了一种既可用于细胞环境也可用于中枢神经系统环境的5-羟色胺电化学监测系统。该传感界面经过g-C₃N₄/PtNPs/AuNPs复合材料的改性，以满足体内和体外检测的需求。石墨碳氮化物纳米片能够催化5-羟色胺的氧化反应（Aryan，2024），而铂纳米粒子（PtNPs）（George等人，2024；Megha，2024；You等人，2003）和金纳米粒子（AuNPs）（Kim等人，2001；Liu和Tian，2008；Yang等人，2012；Yusoff等人，2015；Zhang等人，2014）则可以放大电化学信号。这种复合材料具有高导电性、强的电催化活性以及良好的生物相容性（Joy等人，2024）。该传感器界面是通过电化学沉积法制备的，这种方法适合用于微型工作电极的制造，同时也解决了脑内传感器设计上的诸多限制。为了能够实时监测细胞内的5-羟色胺分泌情况，我们将电化学传感技术与微流控芯片相结合，从而实现了对培养箱中细胞释放的5-羟色胺的持续检测。

本研究开发了一种可用于中枢神经系统实时监测5-羟色胺的灵活型神经接口。该系统由一个便携式电化学工作站、传感器、固定装置以及直径为200微米的柔性针状传感器组成（图1）。该针状传感器由聚对苯二甲酸乙二醇酯制成，兼具灵活性、生物相容性以及稳定的电化学性能。传感器通过脑立体定向装置的夹具进行固定，以确保能够精确地植入目标脑区。一根经过搪瓷绝缘处理的导线将传感器组件与便携式工作站相连，整个系统的重量仅为0.5克。植入后，该组件会用牙科水泥固定在颅骨上，这样在行为记录过程中它就可以在开放式实验场中自由移动。专门的软件界面则可以实现运动活动与5-羟色胺浓度动态变化的同步实时监测。

章节节选

便携式实时5-羟色胺电化学系统的特性与性能评估

块状g-C₃N₄是通过热聚合反应制备的（Lin和Wang，2013；Xiong等人，2017；X. Zhang等人，2013；Zhou等人，2016）。如图2a所示，首先将块状材料通过滴涂法涂覆在针状电极上，然后再通过电化学方法将其剥离成纳米片状（Wang等人，2017；Yang等人，2019）。由此得到的纳米片具有更高的电导率以及更多的结构空隙，这使得它们在催化5-羟色胺氧化反应方面的性能得到提升（Gao等人，2016；Wu等人

结论

总之，本研究成功开发了一种基于电化学传感技术的便携式5-羟色胺监测系统。这种便携、高效且具备实时监测功能的系统已在细胞实验和动物实验中得到应用，完全满足了在各种生物学环境中监测5-羟色胺的需求。

该系统在体外和体内的生理环境中均表现出出色的性能，这一点已在大鼠胰岛素瘤细胞和小鼠大脑中的实验中得到验证。不过，传感器的性能仍有可能

实验部分

实验部分的详细内容详见补充数据。

CRediT作者贡献说明

任世春：论文撰写——初稿撰写、结果验证、方法设计、实验实施、数据分析、概念构思。莫凤凤：论文撰写——审阅与编辑、研究指导、方法设计、资金获取、数据分析、数据整理、概念构思。杨刘红：论文撰写——初稿撰写、软件应用、方法设计、数据整理、概念构思。王嘉峰：研究指导、项目管理、概念构思。戴戈：论文撰写——审阅与编辑、数据可视化、研究指导，

未引用参考文献

Zhang等人，2013年。

数据可用性

数据将应要求提供。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了ScITech Innovation 2030脑科学与类脑智能技术项目的资助（项目编号：2022ZD0208100）。