可拉伸探针测量帕金森病、抑郁症和肠道疾病的大脑化学物质

脑化学失衡是许多神经系统疾病的核心。这些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“神经弦”——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2022年6月2日发表的一篇论文中描述了这项探测自然．它在抑郁症、帕金森病和肠道疾病方面有潜在的应用。

“人们试图理解大脑的主流方式是读取和记录电信号，”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的实验室做博士后时开始并完成了这项工作;他现在是密歇根州立大学生物医学工程助理教授。

NeuroString措施多巴胺而且5 -羟色胺，这是两种调节的化学信使电信号在神经元。多巴胺以其在大脑奖励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，但它们是用玻璃管包裹的硬质碳棒制成的。“这些都是非常严格的探测。它们非常脆弱，”李说。植入物不仅会碎裂，还会与大脑中粘稠的组织摩擦，从而引发炎症大脑细胞并降解植入物。

鲍的实验室设计了一个软探测器。“我的团队制造软电子产品已经有很长一段时间了，”鲍教授说，他是斯坦福大学工程学院化学工程系的教授和系主任。探针是由石墨烯这是一种原子薄的碳。鲍教授的团队使用激光将李教授描述的“毛茸茸的石墨烯纠缠网络”雕刻成塑料。这种塑料含有在石墨烯表面转化为纳米颗粒点的分子，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，研究人员将该网络嵌入橡胶基质中。

“石墨烯本身的可拉伸性不强，但如果它像网格一样缠绕并嵌入橡胶中，那么它就具有可拉伸性，”李解释道。

鲍补充道:“这就像kirigami。如果你把图案剪成这样，然后你可以拉伸它，你会看到某种空心的连接纸网络。在这里也是一样的，但网络是由石墨烯薄片制成的。”神经弦和生物组织一样柔软。鲍说:“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损伤，大脑和肠道不仅柔软，而且还会不断移动。”

为了测试探测器，Bao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。“我认为这是斯坦福最优越的地方:它非常开放和合作，”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和肠道中的血清素激增——两者都是对巧克力的预期反应。多巴胺在大脑中产生，而血清素主要在肠道中产生。在另一项实验中，NeuroString在患有肠道炎症的小鼠和健康小鼠中检测到独特的肠道血清素模式。

“我们第一次看到来自探测器的信号是一个顿悟的时刻，”合著者、生物学副教授陈晓科说。“在自由活动的动物身上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。通过这次美妙的合作，我们得以实现这一梦想。”

植入的小鼠表现正常，饮食正常，排便正常。“令人兴奋的是，这种工具似乎不会破坏组织的正常功能，”合著者、医学教授艾达·哈布泰锡安(Aida Habtezion)说。她说，这意味着这种植入物有一天可能被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，担任辉瑞公司的首席医疗官，但她还在斯坦福大学时就为这项工作做出了贡献。

追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。追踪大脑中的多巴胺水平对帕金森病很有用，这种病是由多巴胺缺乏引起的。帕金森病的一种治疗方法，深部脑刺激它的部分工作原理是刺激神经元产生更多的多巴胺。如果深层大脑刺激器能与神经弦配对，这将使医生能够精确控制多巴胺的释放量。

这种植入物还没有准备好用于临床。首先，探测器仍然连接着读取信号的电线;需要一种无线版本用于人体。同时，该探测器在研究中有很多用途。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，这可能解释了为什么它们有时会引起胃肠道副作用，陈说。“我们现在有工具可以实时监测这些药物对小鼠模型中大脑和肠道血清素波动的影响。”

他补充说:“现在我们已经证明了探针是有效的，我们还有一长串的生物学问题要解决。”

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