近日，由芬蘭阿爾托大學(xué)的艾米莉亞·佩爾托拉領(lǐng)導(dǎo)的研究小組正在開發(fā)一種外形類似于針的微型傳感器。該微型傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域?qū)⒕哂兄卮蟮囊饬x，能夠在抑郁癥、慢性疼痛、帕金森氏病、癲癇病等眾多疾病治療中發(fā)揮十分重要的作用。

深部腦刺激在帕金森氏病和癲癇的治療中取得了良好的效果。該療法涉及用電刺激患者的大腦，以產(chǎn)生多巴胺之類的神經(jīng)遞質(zhì)。如果將傳感器添加到安裝在大腦中的治療設(shè)備中，醫(yī)生將實(shí)時(shí)了解神經(jīng)遞質(zhì)對(duì)治療的反應(yīng)。因?yàn)橐话闱闆r下，神經(jīng)遞質(zhì)太小，無法用肉眼看到，因此目前沒有任何設(shè)備可以可視化我們的治療發(fā)揮作用的方式，從而迫使我們采用其他方式來收集信息。

“這種傳感器的絕對(duì)好處是它們產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。神經(jīng)遞質(zhì)在細(xì)胞之間的移動(dòng)非常迅速，只有實(shí)時(shí)方法才能讓我們知道每種物質(zhì)中存在多少特定物質(zhì)。在特定的時(shí)刻，治療將變得更加有效，并且將會(huì)減少不良反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，”Peltola說。

Peltola既是科學(xué)技術(shù)博士，也是醫(yī)學(xué)研究員，多學(xué)科背景是她的工作優(yōu)勢(shì)，讓她能將技術(shù)與生物學(xué)結(jié)合在一起。她在2019年春季獲得了芬蘭科學(xué)院的一筆贈(zèng)款，并由Jane和AatosErkko基金會(huì)提供了資金，她正在尋找用于測(cè)量神經(jīng)遞質(zhì)的傳感器的最佳合成材料。

邁向新型治療

除了神經(jīng)遞質(zhì)的濃度外，重要的是要知道神經(jīng)遞質(zhì)的釋放位置、細(xì)胞釋放該物質(zhì)的速度以及細(xì)胞攝取該物質(zhì)需要多長(zhǎng)時(shí)間，而現(xiàn)有方法無法收集此信息。

放置大腦部位的傳感器應(yīng)確定要測(cè)量的神經(jīng)遞質(zhì)，局部測(cè)量可提供有關(guān)疾病機(jī)制以及大腦和藥物功能的最新信息。Peltola相信，如果要在體內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，研究人員可以開發(fā)新的診斷和治療方法。

“我們可以有新的療法，不僅可以減緩疾病，而且可以阻止甚至治愈疾病。”

正確的材料將使傳感器成為人體的一部分

當(dāng)用針刺破手指卻無法拔出時(shí)會(huì)發(fā)生什么?為了保護(hù)你，你的身體會(huì)在“針”周圍生長(zhǎng)疤痕組織。這是一件好事，因?yàn)楦腥究赡軙?huì)傳播并可能危及你的生命。當(dāng)你的身體(而不是碎片)遇到有意放置以治療目的的物體(例如傳感器)時(shí)，你的身體將以相同的方式做出反應(yīng)。

需要保護(hù)我們的免疫系統(tǒng)使Peltola的工作具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樵趥鞲衅髦車纬傻陌毯劢M織會(huì)阻止其應(yīng)測(cè)量的物質(zhì)到達(dá)其表面，并且妨礙了準(zhǔn)確的測(cè)量。

研究人員希望，嵌入人體的傳感器將成為其組織的一部分，當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞附著在傳感器上時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。但是我們的身體可以將神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)送到傳感器周圍，它們會(huì)形成疤痕組織，從而妨礙測(cè)量。為了使傳感器吸引正確種類的細(xì)胞，其表面必須為特定類型，但是研究人員尚未確定這種類型是什么樣的。

蛋白質(zhì)的好壞

僅解決疤痕組織問題將涉及大量工作。另外，蛋白質(zhì)問題也讓研究人員頭痛。

蛋白質(zhì)是所有細(xì)胞的組成部分，它們幾乎執(zhí)行細(xì)胞的所有功能：細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞融合、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和免疫防御。但是，蛋白質(zhì)雖然對(duì)人類至關(guān)重要，但卻不利于傳感器的功能。它們沉淀在傳感器表面上，防止被測(cè)物質(zhì)到達(dá)那里。傳感器在鹽溶液中可以很好地工作，但是每當(dāng)流體(例如血液樣本或細(xì)胞培養(yǎng)液)中含有蛋白質(zhì)時(shí)，測(cè)量就不會(huì)那么成功。

不過發(fā)現(xiàn)表面上的蛋白質(zhì)附著并不總是破壞測(cè)量結(jié)果，這使研究變得更具挑戰(zhàn)性。然而，傳感器功能與蛋白質(zhì)含量之間的相關(guān)性仍是一個(gè)謎。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)檢測(cè)到，即使許多蛋白質(zhì)附著在其表面上，傳感器的電化學(xué)也仍然起作用，這意味著僅存在大量蛋白質(zhì)并不意味著傳感器將無法運(yùn)行。研究人員仍然需要探索如何利用表面結(jié)構(gòu)以不干擾測(cè)量的方式來引導(dǎo)蛋白質(zhì)的附著。

納米纖維的厚度決定性

Peltola在Micronova工作，該實(shí)驗(yàn)室具有良好的實(shí)驗(yàn)研究設(shè)施。盡管不需要實(shí)際的無塵室，但檢查成品傳感器必須進(jìn)行無菌工作。她實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)櫥柜里裝有各種樣品傳感器供研究，它們的材料結(jié)合了不同的碳同素異形體。一旦準(zhǔn)備好傳感器材料，就該進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)了，該實(shí)驗(yàn)將研究神經(jīng)遞質(zhì)的測(cè)量以及細(xì)胞與各種碳表面之間或蛋白質(zhì)表面之間的相互作用。

在研究碳納米纖維時(shí)，Peltola和她的同事們發(fā)現(xiàn)了納米纖維的厚度與細(xì)胞形狀之間的聯(lián)系。這種聯(lián)系幫助他們推斷出厚度還影響附著在傳感器表面的細(xì)胞，所需的神經(jīng)細(xì)胞或不良的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。

Peltola認(rèn)為，在芬蘭科學(xué)院進(jìn)行的為期五年的研究過程中，她的研究可能會(huì)發(fā)展為動(dòng)物試驗(yàn)。即使最終產(chǎn)品投入使用需要十多年的時(shí)間，這項(xiàng)研究仍將為神經(jīng)和醫(yī)學(xué)研究提供有用和適用的知識(shí)，并進(jìn)一步加深我們對(duì)大腦和各種疾病的一般理解。

研究人員在樣品片或移液器納米金剛石的表面上生長(zhǎng)碳納米管和纖維。納米纖維和納米管由石墨烯，碳同素異形體制成，而納米金剛石是微觀上小的合成金剛石。

使用這種培養(yǎng)皿可以獲得細(xì)胞培養(yǎng)的本地信息，孔的底部包含并排放置的44個(gè)微觀傳感器。