華東師大今天發(fā)布科研新成果：化學(xué)與分子工程學(xué)院院長田陽教授團(tuán)隊(duì)近期在活體鼠腦的分析檢測研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)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(xué)和北京大學(xué)合作完成，化學(xué)與分子工程學(xué)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(tuán)隊(duì)在腦活體化學(xué)信號高時(shí)空分辨的分析新方法新工具開發(fā)上取得系列前沿性進(jìn)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(shí)現(xiàn)依賴于神經(jīng)元電信號和化學(xué)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(jī)制及大腦傳遞的信息。電化學(xué)方法因其高時(shí)空分辨、原位、實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，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(xué)信號的變化。因此，只有同時(shí)監(jiān)測這些化學(xué)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(tuán)隊(duì)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(zhǔn)確性、靈敏度、多物質(zhì)同時(shí)分析、化學(xué)信號和電信號的同時(shí)等關(guān)鍵科學(xué)問題，發(fā)展了一系列高效的活性分析新方法，實(shí)現(xiàn)了腦研究中系列的突破性進(jìn)展。

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

早在2013年，田陽教授團(tuán)隊(duì)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(xué)分析策略。該方法可實(shí)時(shí)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(xué)分析的準(zhǔn)確度。(Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 8129-8133)
進(jìn)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(lán)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(xué)傳感，成功實(shí)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(xué)傳感用于鼠腦疾病中多種物質(zhì)的同時(shí)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(jìn)一步設(shè)計(jì)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(xué)行為之間的關(guān)系。 同時(shí)，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(shí)現(xiàn)了鼠腦中不同腦區(qū)Cu+和pH的同時(shí)分析。實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jìn)一步提升，設(shè)計(jì)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(tuán)可實(shí)現(xiàn)對O2和pH的雙響應(yīng)，而Fc基團(tuán)可作為內(nèi)參比，提升測定準(zhǔn)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(shí)分析的電化學(xué)傳感。田陽教授團(tuán)隊(duì)首次采用二條插值法，報(bào)道了缺血時(shí)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(xué)附屬醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)家徐天樂團(tuán)隊(duì)、復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院丁小強(qiáng)團(tuán)隊(duì)正應(yīng)用田陽教授團(tuán)隊(duì)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(diǎn)而被應(yīng)用于活細(xì)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(xué)方法測量時(shí)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(tuán)隊(duì)率先設(shè)計(jì)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(qiáng)散射(SERS)的“光生理”探針，實(shí)現(xiàn)了活體鼠腦及神經(jīng)元中CO32-和pH的同時(shí)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(shí)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(shí)時(shí)成像和同時(shí)定量測量。利用該SERS微陣列，研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)鼠腦發(fā)生缺氧時(shí)，鼠腦皮層中的CO32-和pH都顯著降低。因?yàn)镾ERS無需外加電場，所以可以將SERS方法與電生理方法進(jìn)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(xué)信號。SERS技術(shù)結(jié)合電生理學(xué)開辟了一種獲取腦中電信號和化學(xué)信號的新方法，這是極具開創(chuàng)意義的。

研究人員為了進(jìn)一步了解單細(xì)胞水平的缺血機(jī)制，成功將尖端尺寸為200 nm的SERS納米探針應(yīng)用于單個(gè)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(xué)物質(zhì)在生理和病理過程中從大腦層面到細(xì)胞水平所扮演的角色。

（看看新聞Knews記者：朱玫  實(shí)習(xí)編輯：李珂）