中國科學家制備50微米高分辨率神經(jīng)探針，首次利用該技術(shù)在小鼠腦內(nèi)直接檢測到血清素，比電化學傳感器敏感度提升3-6個數(shù)量級

目前，市場上的治療神經(jīng)疾?。ㄈ缫钟舭Y）的****物通常有很強的副作用，并且治療效果因人而異。人們至今對大多數(shù)神經(jīng)疾病的致病機理尚未完全清楚，對大腦相關功能的理解還處在“黑盒子”狀態(tài)。

而神經(jīng)遞質(zhì)血清素對神經(jīng)性疾病的調(diào)控起著至關重要的作用，檢測腦內(nèi)血清素濃度成為理解相關神經(jīng)回路、解開神經(jīng)疾病的治病機理的“關鍵鑰匙”。因此，如何在腦內(nèi)高選擇性、高敏感度地在相關濃度和時間尺度檢測神經(jīng)遞質(zhì)是科學家致力解決的重點。

圖丨高通量神經(jīng)探針，4 英寸硅片上制備出 150 根神經(jīng)探針（來源：趙傳真）

為此，加利福尼亞大學洛杉磯分校（UCLA，University of California, Los Angeles）團隊利用傳統(tǒng)半導體微加工流程，制備了一種新型可植入生物傳感器。他們在 4 英寸硅片上同時制備出 150 根微型神經(jīng)探針，其厚度和寬度僅為 50 微米（相當于人的頭發(fā)絲直徑）。并且，該研究首次通過這種技術(shù)用晶體管傳感器在小鼠腦內(nèi)檢測到血清素。

圖丨相關論文（來源：Science Advances）

相關論文以《用于體內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)監(jiān)測的可植入適體場效應晶體管神經(jīng)探針》（Implantable aptamer-field-effect transistor neuroprobes for in vivo neurotransmitter monitoring）為題發(fā)表在 Science Advances 上 [1]。

談及這項在 UCLA 讀博期間的研究，該論文第一作者、斯坦福大學化工系博士后趙傳真表示，“該研究為進一步理解腦內(nèi)信號傳遞方式，檢測腦內(nèi)化學信號的濃度，以及理解精神疾病的致病機理提供了強有力的工具。”

在 4 英寸硅片同時制備 150 根微型神經(jīng)探針，敏感度較電化學傳感器提升 3-6 個數(shù)量級

該團隊聚焦于腦內(nèi)的生物信號分子的檢測與研究，并在多年前已開始初步嘗試。2018 年，他們制備了適配體-場效應晶體管生物傳感器，并成功地檢測到與多種疾病有關的血清素、多巴胺、葡萄糖和脂質(zhì)受體，并發(fā)現(xiàn)這些受體具有極高選擇性和靈敏度 [2]。

圖丨神經(jīng)探針制造過程的示意圖（來源：Science Advances）

雖然近年來測量體內(nèi)電信號的工具已得到廣泛開發(fā)，但檢測神經(jīng)化學記錄的相關技術(shù)仍然有限。那么，直接檢測腦內(nèi)信號有怎樣的難點？

相比于物理形式比較統(tǒng)一腦電信號，超過一百種化學結(jié)構(gòu)相似的神經(jīng)遞質(zhì)在腦內(nèi)發(fā)揮著完全不同的生理作用。在神級突觸，腦內(nèi)信號主要靠神經(jīng)遞質(zhì)進行傳遞。因此，完全理解大腦信息傳遞和相關疾病致病機理需要理解相關神經(jīng)遞質(zhì)的信號，而這就需要超高敏感性的檢測工具。

基于此，該團隊在探針針尖使用溶膠-凝膠工藝制備了 4 納米厚的氧化物半導體傳感器。這種新型傳感器可在體液中檢測 10fmol/dm3（飛摩爾每升）的血清素。并且，可在 10 個數(shù)量級有動態(tài)響應，這比以往的電化學傳感器敏感度（納摩爾每升到微摩爾每升）提升了 3 至 6 個數(shù)量級。

圖丨該團隊核心成員合影，從左至右依次為：凱文·陳（Kevin Cheung）博士，納可中冢（Nako Nakatsuka）博士，安妮·安德魯斯（Anne Andrews）教授，趙傳真博士（來源：趙傳真）

檢測腦內(nèi)信號的另一個難點在于，在體液區(qū)分化學結(jié)構(gòu)非常相似、分子重疊，甚至只有一個官能團不同分子等復雜的環(huán)境下，是否能進行“精準識別”？因此，傳感器的超高選擇性至關重要，而該團隊所利用超高選擇性適體為這一要求奠定了基礎。

于是，該團隊利用微機電系統(tǒng)（MEMS），結(jié)合納米級別的氧化銦（In2O₃）新型半導體，以一種高通量的方式在 4 英寸的硅片上同時制備出了 150 根可植入微型神經(jīng)探針，該探針的厚度和寬度可低至 50 微米（相當于人體頭發(fā)絲的直徑），并兼具良好的柔性及穩(wěn)定性。

動圖丨 50 微米厚和 50 微米寬的硅基神經(jīng)探針（來源：趙傳真）

這種新型可植入生物傳感器不僅能減小對被測的腦組織造成的創(chuàng)傷面積，同時，還提供了較高的空間分辨率及時間分辨率。趙傳真表示，“用這種新型傳感器在不同分子基本低于 5%-10% 的選擇性，這種選擇性是電化學方法和基于抗體的傳感器中都難以實現(xiàn)的?！?/span>

制備該器件階段也并不順利，難點在于，新型可植入生物傳感器并沒有太多以往可借鑒的報道。于是，該團隊通過與相關課題組、其他領域?qū)＜业牟粩嘟涣?，一步步討論及確認了如何將系統(tǒng)集成、怎樣將尺寸從較大面積縮小、做薄，并做到可植入等問題。

圖丨利用可植入神經(jīng)探針監(jiān)測腦內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)的傳遞（來源：Science Advances）

為研究血清素相關神經(jīng)回路的工作，該團隊還做了體外驗證和活體小鼠實驗。在體外實驗中，研究人員在小鼠腦組織液中成功地檢測到相關信號。在活體小鼠實驗中，他們選擇了缺少血清素傳輸?shù)鞍祝⊿ERT）的老鼠作為模型。

對此，趙傳真解釋道：“這種老鼠腦內(nèi)因為缺少相關蛋白，而被認為具有較慢的血清素響應時間，我們希望通過新型傳感器來檢測這種現(xiàn)象。”

圖丨柔性 50 微米神經(jīng)探針的制造和表征（來源：Science Advances）

該團隊在小鼠腦內(nèi)中縫核區(qū)域用電化學刺激的方法測量，然后，在紋狀體區(qū)的神經(jīng)突觸捕捉到了血清素的釋放和再攝取的過程。他們觀測到約 10-20 秒的響應時間，這與動物模型的預期一致。

因此，該實驗證實了這種新型可植入生物傳感器能在活體小鼠腦內(nèi)實現(xiàn)神經(jīng)學相關的研究。

或?qū)⑴c腦機接口等技術(shù)結(jié)合，有望加速理解神經(jīng)疾病的致病機理，推動個性化醫(yī)療發(fā)展

該團隊希望通過這種技術(shù)檢測到腦內(nèi)的化學信號濃度，以及可能會理解神經(jīng)疾病的致病機理，包括抑郁癥、焦慮癥、阿爾茲海默等。如果能清楚地了解神經(jīng)疾病的致病機理，則可對不同的人“對癥下****”。

現(xiàn)有的腦機接口技術(shù)平臺基本利用電生理技術(shù)，而化學信號干預為腦機接口提供了新的可能性?！?strong style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">化學信號能夠更精準和直接地干預相關神經(jīng)疾病，從而有望將腦機接口提高到一個新的層面。”趙傳真說。

圖丨趙傳真（來源：趙傳真）

目前，醫(yī)生對于精神類患者的疾病評估，主要依靠談話等主管判斷，再根據(jù)精神量表情況打分進行綜合診斷。

如果想實現(xiàn)對精神疾病更客觀、精準的診斷，需要更多專家參與最終形成可量化評估的“標準化指標”。有了這種“標準”后，再通過新型傳感器對腦內(nèi)信號的實時檢測，從而實現(xiàn)更精準的個性化醫(yī)療。

此外，該研究采用傳統(tǒng)半導體微加工流程，這種制備方法和其他神經(jīng)探針可以高度兼容，能在將來和其他工具結(jié)合，包括神經(jīng)動作電位檢測和光遺傳學，實現(xiàn)在同一探針上多種信號的同時檢測（例如，溫度、酶基、光子和電生理傳感器、以及光學和微流體致動器等）。

接下來，該團隊希望做更多的動物模型來檢測大腦回路?！拔覀兿Ｍㄟ^理解大腦回路之后，通過我們的技術(shù)再去和腦機接口等技術(shù)結(jié)合或?qū)ζ溆袉l(fā)，通過檢測到腦內(nèi)分子的變化在神經(jīng)疾病形成之前，就可進行早期干預或預防?！壁w傳真說。

圖丨單根可植入神經(jīng)探針的掃描電子顯微鏡照片（來源：趙傳真）

據(jù)悉，這種傳感器本身的相應時間為 2-3 秒，而目前，該技術(shù)在小鼠腦內(nèi)檢測血清素已實現(xiàn) 10-20 秒的時間分辨率。

該團隊希望未來可實現(xiàn)亞秒級的時間分辨率，以更清楚地了解神經(jīng)化學物質(zhì)的動態(tài)通量和其中編碼的信息，這需要開發(fā)額外的傳感算法和儀器。此外，生物傳感器的穩(wěn)定性和準確性仍是接下來將優(yōu)化的重點方向。

具有交叉科研背景，將通過柔性電子平臺更好地實現(xiàn)體內(nèi)生物信號檢測

該研究是趙傳真在 UCLA 讀博期間的工作成果，其博士導師為保羅·魏斯（Paul Weiss）教授和安妮·安德魯斯（Anne Andrews）教授。

魏斯教授從事微納器件研究，是著名的納米材料學家，是領域內(nèi)頂尖雜志 ACS Nano 的創(chuàng)刊主編；安德魯斯教授則為著名的神經(jīng)生物學家和化學家。因此，在研究背景上，趙傳真有天然的化學、材料及生物學的“交叉背景”。

圖丨趙傳真與博士導師安妮·安德魯斯（Anne Andrews）教授（左一）以及保羅·魏斯（Paul Weiss）教授（來源：趙傳真）

趙傳真的主要研究方向為體內(nèi)生物信號檢測，目前已經(jīng)研發(fā)出可植入以及可穿戴式生物傳感器，致力于在大腦、汗液以及其他體液環(huán)境中檢測生物信號分子（此前 DeepTech 報道：29歲中國科學家利用晶體管傳感器，首次在汗液中直接檢測出“壓力激素”，可對多種生物分子實現(xiàn)高敏感檢測）。

他認為，柔性電子是人機交互的終極界面，希望通過柔性電子的平臺，更好地實現(xiàn)生物器件的制備與技術(shù)推進。因此，在他博士畢業(yè)后，于 2021 年 1 月來到斯坦福大學鮑哲南教授課題組做博后研究。與創(chuàng)新成果相比，偏臨床和成果應用的方向?qū)⑹勤w傳真的研究重點，在他看來，這將為更多的人帶來科研成果的積極影響。

談及對未來的期待，趙傳真表示，生物分子信號是人體健康的核心。未來希望構(gòu)建一些器件和平臺，通過這些平臺能包括可植入器件、可穿戴器件等更好地理解人體、更精準地監(jiān)測人體的生物信號分子，從而延長人的壽命和提升人們整體的幸福指數(shù)。

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參考：

1.Chuanzhen Zhao et al .Science Advances 7,48(2021). DOI: 10.1126/sciadv.abj7422

2.Nako Nakatsuka et al. Science 362, 6412,319-324(2018).DOI:10.1126/science.aao6750