新型电极平台能够实时检测单个活体脑类器官释放的多巴胺，实现浓度低至7.51纳摩尔的神经元功能无损监测。
（Nanowerk专题报道）多巴胺是一种对运动、动机以及帕金森病症状至关重要的神经递质，其在大脑中的浓度低于10纳摩尔，即每升少于100亿分之一摩尔。当研究人员在培养皿中培养神经元，或培育称为类器官的复杂类脑结构时，他们面临一个根本性问题：这些细胞是否真正具备真实神经元的功能？科学家可以通过蛋白质标记物进行染色，也可以在显微镜下观察其形态，但证明实验室培养的多巴胺神经元能以生理学意义的浓度释放多巴胺仍然十分困难。
传统的检测方法如高效液相色谱和酶联免疫吸附测定可以测量多巴胺，但需要破坏细胞并收集相对大量的样本。这些技术耗时数小时，无法实时追踪神经元的活动。使用荧光探针的光学方法可以在活细胞中可视化分子活动，但需要基因修饰或化学标记，这可能改变细胞行为。该领域一直缺乏一种简单、可重复且无损地测量干细胞衍生神经元是否已成熟到足以释放有意义浓度多巴胺的方法。
电化学传感提供了一种有吸引力的替代方案，因为多巴胺具有天然的电化学活性，意味着它参与电子转移反应，产生可测量的电流。但现有的电化学传感器难以应对细胞培养物中极低的多巴胺浓度。它们还受到结构相似分子的干扰，以及反应副产物随时间堵塞电极表面的污染问题。
一种新的电极平台现解决了这些局限。主要基于韩国成均馆大学(Sungkyunkwan University)的研究团队开发了一种名为SIDNEY的传感器，这是Smart Interfacial Dopamine-sensing platform for NEurons and organoid physiologY（神经元和类器官生理学的智能界面多巴胺传感平台）的缩写。发表在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上的这项工作展示了首次对活体中脑类器官释放多巴胺进行实时电化学检测。
该传感器将三种纳米级组件组合成层状结构。基础是由垂直排列的金纳米柱组成，每个约300纳米高，通过激光干涉光刻技术制造，这种技术可以在大面积上创建均匀图案而无需掩模。这些纳米柱与平面电极相比，创建了表面积显著增加的支架。
研究人员用直径约38纳米的较小金纳米颗粒装饰这些纳米柱。这些颗粒进一步扩展了电化学活性表面积，并加速了多巴胺氧化反应中的电子转移。
最后，他们用一层薄薄的氧化石墨烯包裹整个结构，这是一种氧化形式的石墨烯，具有碳环和含氧官能团。
每个组件都具有特定功能。金结构提供导电骨架和电子转移热点。氧化石墨烯层通过多种分子相互作用解决选择性问题。其芳香碳环参与π-π堆积（环状分子之间的一种吸引力），优先将干扰物从金表面捕获。同时，氧化石墨烯带负电的羧基通过静电作用力吸引多巴胺带正电的胺基，使分子定向以利于电子转移。
测试表明，SIDNEY在标准磷酸盐缓冲盐水中达到29.5纳摩尔的检测限。在模拟大脑离子环境的人工脑脊液中，灵敏度提高到7.51纳摩尔。该平台对常见干扰物（包括血清素和去甲肾上腺素）的响应极小，当多巴胺与这些竞争分子混合时，信号减少仅3.33%，而对照电极的信号损失为21-47%。
研究人员在日益复杂的生物系统中验证了该平台。他们首先在电极表面直接培养SH-SY5Y细胞（一种常用于神经科学研究的人类神经母细胞瘤细胞系），并在12天内将其分化为多巴胺生成神经元。该传感器追踪了与多巴胺能标记蛋白表达相关的多巴胺释放的逐步增加。
转向人类诱导多能干细胞，研究团队通过神经前体中间体将这些细胞分化为多巴胺能神经元。成熟神经元产生的多巴胺信号平均为50.96微安，而未分化的干细胞和神经前体细胞则无明显释放。对成纤维细胞等非神经元细胞类型的对照实验也未产生信号，证实了特异性。
最具挑战性的测试涉及中脑类器官，这些结构由干细胞生长而成，自我组织成类似人类中脑的组织。这些类器官是研究帕金森病和测试潜在疗法的宝贵模型，但评估其功能成熟度而不破坏它们仍然是一个持续存在的障碍。
研究人员比较了35天发育阶段的早期类器官与95天的成熟类器官。虽然两个阶段都表达多巴胺能标记物，但电化学测量揭示了清晰的功能差异。早期类器官产生的信号大多低于检测阈值。成熟类器官释放的多巴胺平均为9.16纳摩尔。类器官占据传感器表面不到3%，证明该平台能够从极小的生物样本中检测多巴胺。
与传统方法相比，电化学方法提供了显著的实用优势。高效液相色谱每次分析至少需要1毫升样本，并且包括准备时间在内需要超过三小时。酶联免疫测定在人工脑脊液中表现不佳，因为高离子强度干扰抗体结合。SIDNEY在约一分钟内从微升体积提供结果，同时保持样本活性以供未来测量。
该平台实现了以前不切实际的事情：跟踪同一类器官随时间的功能发育。由于类器官在大小、细胞组成和成熟速率方面存在显著差异，汇集多个类器官的整体分析无法捕捉个体差异。单类器官测量为更精确的药物筛选和疾病建模开辟了可能性，研究人员可以监测单个类器官如何对治疗作出反应。
研究人员指出，由于该平台广泛检测电活性分子，它可能扩展到其他类器官系统，包括肝脏和心脏模型，其中尿酸和腺苷等生物标志物发挥功能作用。随着基于干细胞的模型在药物发现和个性化医学中变得越来越核心，能够实时测量功能输出而不破坏珍贵样本的工具，解决了将这些技术转化为临床应用的关键瓶颈。
作者Michael Berger是英国皇家化学会四本书的作者：《纳米社会：推动技术边界》(2009年)、《纳米技术：未来微小》(2016年)、《纳米工程：使技术隐形的技能和工具》(2019年)以及《物尽其用！纳米技术如何提高社会效率》(2025年)。
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