脑化学失衡是许多神经疾病的核心。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发明了“NeuroString”——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日发表在《自然》杂志上的一篇论文中描述了该探测器。这种技术在抑郁症、帕金森病和肠道疾病方面有潜在的应用价值。

“人们试图了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Jinxing Li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。”Li曾在斯坦福大学化学工程系鲍哲南（ Zhenan Bao）实验室从事博士后工作。

NeuroString能测量多巴胺和血清素，这两种化学信使是调节神经元电信号的两种化学信使。多巴胺最为人所知的是它在大脑奖励系统中的作用；血清素是像百忧解这样的抗抑郁药的靶标。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，但它们是由装在玻璃管中的刚性碳棒制成的。 “那些是非常刚性的探测器。它们非常脆弱，”植入物不仅会破碎，还会摩擦大脑中的软组织，从而使脑细胞发炎并降解植入物。

鲍哲南实验室设计了一个软探针。“我的团队从事软电子产品制造已经有一段时间了，”鲍教授说。

探针由石墨烯制成，石墨烯是一种原子薄的碳。这一团队使用激光将所描述的“石墨烯的毛状纠缠网络”雕刻到塑料中。这种塑料含有在石墨烯表面变成纳米颗粒点的分子，可以提高同时测量多巴胺和血清素的灵敏度和选择性。然后他们将网络嵌入橡胶基质中。“石墨烯本身拉伸性不是很强，但如果它被缠成网状并嵌入橡胶中，那么它就会变得可拉伸，”Li解释道。

鲍教授补充道:“这就像一个剪纸。如果你把图案剪好然后拉伸它，你会看到某种空心连接的纸网络。这里也是一样，但网络是由石墨烯片制成的。NeuroString 具有与生物组织相同的柔软度。 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伤害，不仅柔软而且可以不断移动。”

为了测试这个探针，鲍教授团队与斯坦福大学的生物学、精神病学、胃肠病学和外科科学家合作。 这项工作得到了 Bio-X 种子基金和Wu Tsai神经科学研究所神经科学大创意基金的支持，两者都鼓励跨学科合作。

在一项实验中，研究小组将 NeuroString 植入同一只小鼠的大脑和肠道。当他们给小鼠喂食巧克力糖浆时，NeuroString 检测到大脑中的多巴胺峰值和肠道中的血清素峰值——两者都是对巧克力的预期反应。多巴胺是在大脑中产生的，而血清素主要是在肠道中产生的。在另一项实验中，与健康小鼠相比，NeuroString 检测到肠道炎症小鼠肠道血清素的独特模式。

“我们第一次看到来自探针的信号是一个灵光乍现的时刻，”生物学副教授、文章作者 Xiaoke Chen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。”

植入的小鼠表现和进食正常，并且排便正常。 “该工具令人兴奋的是，它似乎并没有破坏组织的正常功能，”共同作者、医学教授 Aida Habtezion 说。这意味着有朝一日该植入物可以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 目前担任辉瑞的首席医疗官。

跟踪肠道中血清素的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可能对帕金森病有用，后者是由缺乏多巴胺引起的。帕金森氏症的一种治疗方法：深度脑刺激，部分是通过刺激神经元产生更多的多巴胺。如果能将深度脑刺激器与NeuroString配对，医生就能精确控制多巴胺的释放量。

这种植入物尚未准备好用于临床。首先，探针仍然连接着读出信号的电线上，人体需要无线版本。同时，该探针在研究中有许多用途。例如，像百忧解这样的抗抑郁药通过调节血清素水平发挥作用，这也许可以解释为什么它们有时会引起胃肠道副作用，“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中血清素波动的影响。”

Chen补充说：“既然我们已经证明该探针有效，那么我们想要解决的生物学问题就很多了。”

文章标题

A tissue-like neurotransmitter sensor for the brain and gut