Angew. Chem. ：受生物燃料电池启发的微型化谷氨酸电化学探针

谷氨酸是哺乳动物中重要的兴奋性神经递质之一，主要参与学习、记忆和神经元间的信号传递。过量的谷氨酸可能导致神经元后突触的高度兴奋性，从而引发兴奋毒性。这种现象可能导致神经元再生和树突分支的减少，不仅会损害记忆和认知功能，还会增加各种神经系统疾病的风险。因此，高谷氨酸浓度与许多神经疾病（如创伤性脑损伤、阿尔茨海默病、中风、癫痫、慢性疼痛和偏头痛等）显示出强烈的相关性。然而，准确、连续和实时测量原位谷氨酸浓度至今仍然是一个具有挑战性的课题。传统技术，（如微透析和超高效液相色谱串联质谱（UPLC-MS/MS））在实时监测谷氨酸浓度变化方面的时空分辨率有限。最近开发的谷氨酸传感蛋白（iGluSnFr）仅能以半定量方式测量谷氨酸，同时还需要提前对目标生物体进行基因修改。因此，开发生物集成、微型化和定量的传感策略以实现对生物体内谷氨酸浓度的实时检测分析是一个重要的研究方向。

图1. 受生物燃料电池启发的微型化谷氨酸电化学探针。

受生物燃料电池的结构和工作原理启发，美国俄亥俄州立大学Jinghua Li，Wenjing Sun和Andrea Tedeschi团队报告了一种微型化的谷氨酸电化学传感器。该传感器包含一对微型化的阳极和阴极（尺寸约为50 x 50微米）。通过谷氨酸酶催化，阳极和阴极之间的氧化还原反应将自发产生电流，该电流与溶液中的谷氨酸浓度成比例。体系中的一个负载电阻将电流信号转化为可读出的电压信号。与传统的基于安培法的三电极电化学传感器相比，该设计简化了所需的电子元件，有利于小型、轻量级生物传感器的制备。

图2. 本研究中谷氨酸传感器的电化学表征。

本研究中的系统探索揭示了微型化传感探头开发的基本要求和考虑因素，包括温度、功能材料成分和负载电阻对传感器性能（如灵敏度、选择性和检测范围）的影响。机械测试和免疫组织化学的结果显示，此探针具有高度柔性和生物相容性。

图3. 在离体实验中，使用微型谷氨酸探针分析小鼠脑片海马回路中的谷氨酸释放情况。

在成功开发谷氨酸传感器的基础上，该研究利用所制备的微型探针分析了小鼠脑片海马回路中的谷氨酸释放情况：在此神经回路中，当对来自CA3神经元的Schaffer胶原纤维进行电刺激时，谷氨酸能神经元突触会在CA1放射状层区域发生胞吐作用，将谷氨酸释放到突触隙中。实验所获得的结果表明，微型化探针可以检测到由电刺激触发的突触释放的谷氨酸。通过改变电刺激的模式，可以观测到与之关联的谷氨酸释放情况的变化。

本研究利用电化学的相关知识设计并验证了一类微型化的神经递质传感器，通过改变电化学界面中的功能材料，此类传感器也可适用于其他神经递质的检测。在未来的研究中，这种柔性、高度生物集成的化学探针可以被整合到脑机接口应用中。由此产生的传感设备可用于加深科研人员对中枢神经系统创伤和疾病后神经回路中结构和功能失调变化的潜在分子和细胞机制的理解，从而为这些病理情况的新型治疗干预的发展提供启发。

论文信息

Flexible, Miniaturized Sensing Probes Inspired by Biofuel Cells for Monitoring Synaptically Released Glutamate in the Mouse Brain

Prasad Nithianandam, Tzu-Li Liu, Shulin Chen, Yizhen Jia, Dr. Yan Dong, Morgan Saul, Dr. Andrea Tedeschi, Dr. Wenjing Sun, Dr. Jinghua Li

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202310245