GFHDT: 新型納米感測器即時檢測活體腦類器官釋放的多巴胺

新型電極平臺能夠實時檢測單個活體腦類器官釋放的多巴胺，實現濃度低至7.51納摩爾的神經元功能無損監測。

（Nanowerk專題報導）多巴胺是一種對運動、動機以及帕金森病癥狀至關重要的神經遞質，其在大腦中的濃度低於10納摩爾，即每升少於100億分之一摩爾。 當研究人員在培養皿中培養神經元，或培育稱為類器官的複雜類腦結構時，他們面臨一個根本性問題：這些細胞是否真正具備真實神經元的功能？ 科學家可以通過蛋白質標記物進行染色，也可以在顯微鏡下觀察其形態，但證明實驗室培養的多巴胺神經元能以生理學意義的濃度釋放多巴胺仍然十

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分困難。

傳統的檢測方法如高效液相色譜和酶聯免疫吸附測定可以測量多巴胺，但需要破壞細胞並收集相對大量的樣本。 這些技術耗時數小時，無法即時追蹤神經元的活動。 使用螢光探針的光學方法可以在活細胞中可視化分子活動，但需要基因修飾或化學標記，這可能改變細胞行為。 該領域一直缺乏一種簡單、可重複且無損地測量幹細胞衍生神經元是否已成熟到足以釋放有意義濃度多巴胺的方法。

電化學感測提供了一種有吸引力的替代方案，因為多巴胺具有天然的電化學活性，意味著它參與電子轉移反應，產生可測量的電流。 但現有的電化學感測器難以應對細胞培養物中極低的多巴胺濃度。 它們還受到結構相似分子的干擾，以及反應副產物隨時間堵塞電極表面的污染問題。

一種新的電極平台現解決了這些局限。 主要基於韓國成均館大學（Sungkyunkwan University）的研究團隊開發了一種名為SIDNEY的感測器，這是Smart�Interfacial�Dopamine-sensing platform for�NEurons and organoid physiologY（神經元和類器官生理學的智慧介面多巴胺感測平臺）的縮寫。 發表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上的這項工作展示了首次對活體中腦類器官釋放多巴胺進行即時電化學檢測。

該感測器將三種納米級

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元件組合成層狀結構。 基礎是由垂直排列的金納米柱組成，每個約300納米高，通過鐳射干涉光刻技術製造，這種技術可以在大面積上創建均勻圖案而無需掩模。 這些納米柱與平面電極相比，創建了表面積顯著增加的支架。

研究人員用直徑約38奈米的較小金納米顆粒裝飾這些納米柱。 這些顆粒進一步擴展了電化學活性表面積，並加速了多巴胺氧化反應中的電子轉移。

最後，他們用一層薄薄的氧化石墨烯包裹整個結構，這是一種氧化形式的石墨烯，具有碳環和含氧官能團。

每個元件都具有特定功能。 金結構提供導電骨架和電子轉移熱點。 氧化石墨烯層通過多種分子相互作用解決選擇性問題。 其芳香碳環參與π-π堆積（環狀分子之間的一種吸引力），優先將干擾物從金表面捕獲。 同時，氧化石墨烯帶負電的羧基通過靜電作用力吸引多巴胺帶正電的胺基，使分子定向以利於電子轉移。

測試表明，SIDNEY在標準磷酸鹽緩衝鹽水中達到29.5納摩爾的檢測限。 在類比大腦離子環境的人工腦脊液中，靈敏度提高到7.51納摩爾。 該平臺對常見干擾物（包括血清素和去甲腎上腺素）的回應極小，當多巴胺與這些競爭分子混合時，信號減少僅3.33%，而對照電極的信號損失為21-47%。

研究人員在日益複雜的生物系統中驗證了該平臺。 他們首先在電極表面直接培養SH-SY5Y細胞（一種常用於神經科學研究的人類神經母細胞瘤細胞系），並在12天內將其分化為多巴胺生成神經元。 該感測器追蹤了與多巴胺能標記蛋白表達相關的多巴胺釋放的逐步增加。

轉向人類誘導多能幹細胞，研究團隊通過神經前體中間體將這些細胞分化為多巴胺能神經元。 成熟神經元產生的多巴胺信號平均為50.96微安，而未分化的幹細胞和神經前體細胞則無明顯釋放。 對成纖維細胞等非神經元細胞類型的對照實驗也未產生信號，證實了特異性。

最具挑戰性的測試涉及中腦類器官，這些結構由幹細胞生長而成，自我組織成類似人類中腦的組織。 這些類器官是研究帕金森病和測試潛在療法的寶貴模型，但評估其功能成熟度而不破壞它們仍然是一個持續存在的障礙。

研究人員比較了35天發育階段的早期類器官與95天的成熟類器官。 雖然兩個階段都表達多巴胺能標記物，但電化學測量揭示了清晰的功能差異。 早期類器官產生的信號大多低於檢測閾值。 成熟類器官釋放的多巴胺平均為9.16納摩爾。 類器官佔據感測器表面不到3%，證明該平台能夠從極小的生物樣本中檢測多巴胺。

與傳統方法相比，電化學方法提供了顯著的實用優勢。 高效液相色譜每次分析至少需要1毫升樣本，並且包括準備時間在內需要超過三小時。 酶聯免疫測定在人工腦脊液中表現不佳，因為高離子強度干擾抗體結合。 SIDNEY在約一分鐘內從微升體積提供結果，同時保持樣本活性以供未來測量。

該平台實現了以前不切實際的事情：跟蹤同一類器官隨時間的功能發育。 由於類器官在大小、細胞組成和成熟速率方面存在顯著差異，彙集多個類器官的整體分析無法捕捉個體差異。 單類器官測量為更精確的藥物篩選和疾病建模開闢了可能性，研究人員可以監測單個類器官如何對治療作出反應。

研究人員指出，由於該平臺廣泛檢測電活性分子，它可能擴展到其他類器官系統，包括肝臟和心臟模型，其中尿酸和腺苷等生物標誌物發揮功能作用。 隨著基於幹細胞的模型在藥物發現和個人化醫學中變得越來越核心，能夠實時測量功能輸出而不破壞珍貴樣本的工具，解決了將這些技術轉化為臨床應用的關鍵瓶頸。

作者Michael Berger是英國皇家化學會四本書的作者：《納米社會：推動技術邊界》（2009年）、《納米技術：未來微小》（2016年）、《納米工程：使技術隱形的技能和工具》（2019年）以及《物盡其用！ 納米技術如何提高社會效率》（2025年）。