基于铂修饰的nano-tip微电极传感系统及在单个神经元的递质分析中的应用

Neurotransmission within neurons is enabled by neurotransmitters in synaptic vesicles. The exocytosis process inside an individual synapse and the content of single neuron are involved in the process of many neurological diseases. However, present assays to detect neurotransmitters are faced with numerous drawbacks, like low sensitivity and weak temporal-spatial resolution. It has become a very challenging problem to build effective analytical methods of neurotransmitters and the dynamic release process in the field of bio-sensing. Herein, based on our previous investigation in nano-sensing and single-cell analysis, a platinum-modified nano-tip microelectrode will be obtained through a one-step spark discharging approach. Nano-sensing system with high sensitivity and excellent temporal-spatial resolution will be fabricated. It will be applied to the detection of neurotransmitters in single neuron and direct monitoring of neurotransmitter fluxes inside an individual synapse during exocytosis in the dopaminergic neuron. The structure–activity relationship will be examined and revealed among structure, micro-morphology, mechanical performance, electrical conductivity and electro-catalytic activity. Meanwhile, the sensing system will be used to the research of pathogenesis and drug screening of Parkinson's disease at the molecular level. This project will not only provide a simple, rapid and controllable approach for the fabrication of nano-microelectrode, but also establish a novel model and analytical method at the single neuron level for the research of pathogenesis and drug screening of related diseases in the field of neuroscience.

神经元间的信号传导是通过突触囊泡中的神经递质完成的。突触间隙神经递质的动态释放行为以及突触囊泡中神经递质的含量变化与多种神经疾病的发生发展有关。但由于常用的神经递质分析手段仍存在灵敏度低、时空分辨率低的缺陷，目前神经递质含量和释放行为的监测依然是生物传感领域面临的挑战性问题。本课题将在前期纳米传感与单细胞分析研究的基础上，采用火花放电技术一步法制备铂修饰的nano-tip微电极，以多巴胺能神经元作为分析对象，构建高灵敏度高时空分辨率的纳米传感体系，应用于单个神经元递质的检测及胞吐时单个突触间隙递质的动态分析。本项目拟揭示纳米微电极的结构、微观形貌与机械性能、电传导催化性能之间的构效关系，同时将该传感系统应用于分子水平帕金森病的发病机制研究及药物筛选。本课题不仅为纳米微电极提供一种简便快速可控性强的新型制备方法，而且从单个神经元角度为神经科学领域相关疾病的发病机制及新药筛选创立新型研究手段。

在本项目中，我们基于nano-tip微电极构建高灵敏度高时空分辨率的纳米传感体系，应用于人诱导多能干细胞（iPSC）技术诱导的人源性帕金森病（PD）疾病模型-单个神经元和中脑类器官模型中的单囊泡储存的分析平台，以探索人源性帕金森病模型中单囊泡中的神经递质存储与疾病特异性表型之间的关系。我们发现，在PD患者的多巴胺能（DA）神经元中，每个囊泡中的DA分子数量显著减少，在Nano-tip微电极表面的囊泡的成孔过程延长。此外，利用这个平台我们评估了PD的临床用药金刚烷胺（AMA）的疗效，表明它可以挽救DA神经元的囊泡储存功能障碍。同时我们的研究表明潜在化合物佛波酯（PMA）可有效增加囊泡中DA的储存量。本项目从分子水平研究帕金森病的发病机制及药物筛选，从化学角度为神经科学领域相关疾病的发病机制及新药筛选创立新型研究手段。. 在扩展性研究中，基于临床标志物的广泛性，结合多样分子识别机制，探索研究了电化学、可见光光谱、双信号、荧光等纳米传感模式，并成功用于多种临床标志物分析，为临床疾病的诊疗和预后评价提供了更丰富的信息获取手段。. 超额完成合同计划。发表标注论文11篇，项目负责人均为第一作者/共同通讯作者；项目在研期间获得国家授权发明专利10项，申请国家发明专利5项。获得2020年江苏省医学科技二等奖1项，项目负责人为第三获奖人。. 本项目有利促进人才培养和提高科研团队的科研水平。协助培养研究生十余名，其中3人获得国家奖学金，6人获得学业一等奖学金。在本课题研究的基础上，项目负责人获批国家自然科学基金面上项目1项等，同时作为子课题负责人获批科技部重点研发专项2项。