華東師大今天發(fā)布科研新成果：化學與分子工程學院院長田陽教授團隊近期在活體鼠腦的分析檢測研究領(lǐng)域取得重要進展。該團隊通過開展利用SERS微陣列和電生理技術(shù)的聯(lián)用對鼠腦缺血狀態(tài)下相關(guān)物質(zhì)的研究，揭示了鼠腦缺血狀態(tài)下皮層相關(guān)物質(zhì)的變化。研究結(jié)果以“A SERS Optophysiological Probe for the Real‐Time Mapping and Simultaneous Determination of the Carbonate Concentration and pH?Value    in a Live Mouse Brain”為題，2019年2月發(fā)表在 《Angewandte Chemie Internatinal Edition》。

該工作由華東師范大學和北京大學合作完成，化學與分子工程學院博士生王維康為論文的第一作者，華東師大田陽教授是論文的唯一通訊作者。

團隊在腦活體化學信號高時空分辨的分析新方法新工具開發(fā)上取得系列前沿性進展

大腦是人體最復(fù)雜的器官，是神經(jīng)系統(tǒng)最高級的部分，解析大腦的生理和病理過程具有非常重要的意義。大腦功能的實現(xiàn)依賴于神經(jīng)元電信號和化學信號的傳遞。電生理技術(shù)作為一種成熟的研究手段常被用于大腦的研究工作中，解析神經(jīng)元編碼機制及大腦傳遞的信息。電化學方法因其高時空分辨、原位、實時的特點，在活體研究中備受關(guān)注。

然而, 電生理技術(shù)只能獲取神經(jīng)元交流的電信號，而電信號的產(chǎn)生主要取決于神經(jīng)遞質(zhì)和離子的化學信號的變化。因此，只有同時監(jiān)測這些化學信號和電信號，才能更加充分了解大腦中的生理和病理過程。

田陽教授團隊一直致力于腦活體分析方法的研究，針對活體分析中選擇性、準確性、靈敏度、多物質(zhì)同時分析、化學信號和電信號的同時等關(guān)鍵科學問題，發(fā)展了一系列高效的活性分析新方法，實現(xiàn)了腦研究中系列的突破性進展。

更“靠譜”的比率型活體電化學微傳感，解析神經(jīng)退行性疾病的分子機制

早在2013年，田陽教授團隊就利用無銅超氧化物歧化酶（apo-SOD）對Cu2+的特異性結(jié)合，以二茂鐵作為內(nèi)參比，率先提出了雙通道比率型的電化學分析策略。該方法可實時校正測定環(huán)境的差異所引起的測定誤差，顯著提升了活體電化學分析的準確度。(Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 8129-8133)
進而，他們合成了對銅離子具有特異性的分子N,N-二-(2-吡啶基)乙二胺(DEPA)和N-(2-氨基乙基)-N,N‘,N’-三-(吡啶-2-基甲基)乙烷-1,2-二胺(AE-TPEA), 以亞甲基藍為參比分子(HS-DNA-MB)，構(gòu)建了高選擇性的單通道比率型電化學傳感，成功實現(xiàn)了阿爾茲海默癥(AD)鼠腦中銅離子和半胱氨酸的雙檢測。通過檢測首次發(fā)現(xiàn)：相較于正常鼠，AD鼠腦中銅離子增加了約5倍，半胱氨酸減少了約3倍(Angew. Chem. Int. Ed., 2015,54,14053-14056；Anal.    Chem., 2015, 87, 2931-2936)。

雙信號輸出的電化學傳感用于鼠腦疾病中多種物質(zhì)的同時分析

鑒于銅離子和亞銅離子在氧化應(yīng)激中的密切聯(lián)系，他們進一步設(shè)計并合成了系列N，N-雙(2-[2-（乙硫基）乙基] )衍生物用于亞銅離子的選擇性識別，系統(tǒng)探討了分子結(jié)構(gòu)和電化學行為之間的關(guān)系。 同時，利用9,10-蒽醌作為pH的特異性識別元素，2,2‘-聯(lián)氮-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸(ABTS)為內(nèi)參比分子，率先提出了電流和電位雙信號輸出的比率型傳感模式，最終實現(xiàn)了鼠腦中不同腦區(qū)Cu+和pH的同時分析。實驗結(jié)果表明，AD鼠腦中Cu+含量是正常鼠的1.8倍，而pH變化不大。這一發(fā)現(xiàn)，為深入解析銅離子在氧化應(yīng)激及神經(jīng)退行性疾病中的分子機制，提供了可靠的方法(Angew.    Chem. Int. Ed., 2017, 56, 16328-16332)。

最近，他們將這一分析策略進一步提升，設(shè)計并合成了雙響應(yīng)比率型單分子探針Hemin-Fc。該分子中的Hemin基團可實現(xiàn)對O2和pH的雙響應(yīng)，而Fc基團可作為內(nèi)參比，提升測定準確性。最終，通過將Hemin-Fc修飾于碳納米管微電極上，構(gòu)建了O2和pH同時分析的電化學傳感。田陽教授團隊首次采用二條插值法，報道了缺血時不同腦區(qū)以及腫瘤饑餓治療期間O2和pH的改變(Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 10471-10475)。由于方法的創(chuàng)新性及可靠性，上海交通大學附屬醫(yī)學院神經(jīng)生物學家徐天樂團隊、復(fù)旦大學附屬中山醫(yī)院丁小強團隊正應(yīng)用田陽教授團隊所發(fā)展的探針，研究腦神經(jīng)的生理病理過程。

全新納米級“光生理”探針開辟活體分析新篇章

SERS因其高靈敏度、特異性以及高光譜分辨率的特點而被應(yīng)用于活細胞及組織的物質(zhì)檢測中(Sci. Adv. 2018, 4, eaau3494)。為了避免傳統(tǒng)電化學方法測量時施加的外部電信號，可能對腦生理過程產(chǎn)生擾動的關(guān)鍵問題，田陽教授團隊率先設(shè)計并開發(fā)了一系列從納米尺寸到微米尺寸的近紅外光激發(fā)的表面增強散射(SERS)的“光生理”探針，實現(xiàn)了活體鼠腦及神經(jīng)元中CO32-和pH的同時分析(Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 10.1002/anie.201814286)。

新型“光生理探針”陣列，用于鼠腦及神經(jīng)元中碳酸根和pH的同時SERS分析

研究人員制備了尖端尺寸為5 μm的SERS微米陣列，首次應(yīng)用于活鼠腦皮層中的CO32-和pH的實時成像和同時定量測量。利用該SERS微陣列，研究人員發(fā)現(xiàn)當鼠腦發(fā)生缺氧時，鼠腦皮層中的CO32-和pH都顯著降低。因為SERS無需外加電場，所以可以將SERS方法與電生理方法進行聯(lián)用，從而獲得了不同狀態(tài)下鼠腦中的電信號和化學信號。SERS技術(shù)結(jié)合電生理學開辟了一種獲取腦中電信號和化學信號的新方法，這是極具開創(chuàng)意義的。

研究人員為了進一步了解單細胞水平的缺血機制，成功將尖端尺寸為200 nm的SERS納米探針應(yīng)用于單個神經(jīng)元中的測定。該工作不僅為生物傳感器的開發(fā)提供了一種新的方法，而且開辟了一種新的分析方法來理解化學物質(zhì)在生理和病理過程中從大腦層面到細胞水平所扮演的角色。

（看看新聞Knews記者：朱玫  實習編輯：李珂）