極小微電極腦損傷分析生物傳感器

 來(lái)自Inserm的里昂神經(jīng)科學(xué)研究中心的一次采訪，討論了用于分析創(chuàng)傷性腦損傷的超小型微電極生物傳感器的開(kāi)發(fā)，沒(méi)有傳統(tǒng)微電極生物傳感器的風(fēng)險(xiǎn)。這次采訪是在2019年的Pittcon進(jìn)行的。

為什么在創(chuàng)傷性腦損傷(TBI)后監(jiān)測(cè)間質(zhì)液的化學(xué)變化很重要?

對(duì)于可能處于昏迷狀態(tài)，已經(jīng)停止說(shuō)話或無(wú)法對(duì)臨床檢查做出反應(yīng)的嚴(yán)重受傷患者，醫(yī)生需要使用設(shè)備來(lái)了解大腦是如何恢復(fù)的。為了監(jiān)測(cè)大腦活動(dòng)，生物傳感器可用于分析大腦間質(zhì)液。由此，我們可以做出臨床決定，并在必要時(shí)啟動(dòng)治療。

在受傷的大腦中通常會(huì)發(fā)現(xiàn)什么代謝變化?

對(duì)于嚴(yán)重的腦損傷，我們通常監(jiān)測(cè)葡萄糖，乳酸和丙酮酸等代謝物，它們告訴我們大腦是如何產(chǎn)生能量的。有特定的模式可以告訴我們大腦是否正在恢復(fù)。

例如，如果大腦正在自我修復(fù)，它將消耗大量的葡萄糖，因此你可以看到濃度下降。在這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生了大量的乳酸和丙酮酸，所以你會(huì)看到濃度上升。這是一個(gè)好兆頭。相反，如果大腦不能產(chǎn)生能量，你會(huì)看到乳酸上升，丙酮酸下降。這可以通過(guò)腦微透析檢測(cè)，并且可能在未來(lái)使用微電極生物傳感器。

為什么微電極生物傳感器可用于檢測(cè)腦間質(zhì)液的神經(jīng)化學(xué)變化?

微電極生物傳感器是有用的，因?yàn)樗鼈兛梢孕⌒突椒浅Ｐ〉某叽?。這有助于防止插入探頭時(shí)對(duì)大腦造成傷害。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們可以提供逐秒數(shù)據(jù)，使我們能夠觀察大腦中正在發(fā)生的非常快速和瞬態(tài)的變化。

傳統(tǒng)微電極生物傳感器的主要局限是什么?

主要限制是探針的大小。我們必須插入探針以了解大腦內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)。這會(huì)傷害大腦，特別是組織中的小血管。這產(chǎn)生了兩個(gè)問(wèn)題。首先，它會(huì)對(duì)大腦造成進(jìn)一步的傷害，其次，它會(huì)降低數(shù)據(jù)的有效性。

即使我們沒(méi)有造成任何損害，另一個(gè)問(wèn)題是當(dāng)插入探針時(shí)我們不知道周圍組織是否表現(xiàn)不同。然而，微電極生物傳感器目前在動(dòng)物中進(jìn)行測(cè)試，并且與諸如腦內(nèi)微透析的常規(guī)技術(shù)相比代表了重大進(jìn)步。

請(qǐng)問(wèn)您能描述一下您開(kāi)發(fā)的超小型微電極生物傳感器嗎?

微電極生物傳感器由微電極和固定在尖端上的酶組成。它基本上是一種小型化的酶測(cè)定法。如上所述，傳統(tǒng)的微電極生物傳感器具有許多風(fēng)險(xiǎn)。在我的研究團(tuán)隊(duì)中，我們開(kāi)發(fā)了一種使用碳纖維直徑為12微米的超小型生物傳感器。這非常小，我們很自豪能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)。

當(dāng)生物傳感器植入大鼠模型時(shí)，您看到了什么?為什么這很重要?

當(dāng)將生物傳感器植入大鼠模型時(shí)，我們看到大腦中的氧水平和乳酸水平降低。這證明了我們根據(jù)傳統(tǒng)微電極生物傳感器的數(shù)據(jù)得出的濃度估算并不完全準(zhǔn)確。然后我們能夠?qū)⒐烙?jì)值調(diào)整到更接近現(xiàn)實(shí)的值，因此測(cè)試非常重要。

我們還發(fā)現(xiàn)傳感器周圍的小血管得以保留。這表明我們的探針在插入和移除時(shí)不太可能損傷周圍組織。如果我們想將我們的傳感器應(yīng)用于患者，這將是非常重要的。

你為什么選擇使用鍍鉑碳纖維?

鉑是制造微電極生物傳感器的首選材料。然而，鉑絲的問(wèn)題在于它們往往很厚。此外，鉑是一種柔軟的金屬，所以如果你把線做得太薄，整個(gè)東西就會(huì)彎曲，使它無(wú)法操縱。

因此，我們決定通過(guò)設(shè)計(jì)一種用鉑金覆蓋碳纖維的方法來(lái)結(jié)合這兩種性能。通過(guò)這樣做，我們獲得了具有鉑的所有化學(xué)特性的超小物體，這兩者兼具優(yōu)勢(shì)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們轉(zhuǎn)向碳纖維。碳纖維非常堅(jiān)硬，可以輕松操作。碳的唯一問(wèn)題是它不是一種很好的電化學(xué)材料，可用于我們想做的那種分析。

為什么能夠在TBI后逐秒監(jiān)測(cè)大腦很重要?

我們知道，在受傷的大腦中，我們希望能夠看到一些非常快速和瞬態(tài)的病理事件，因此任何技術(shù)都具有高時(shí)間分辨率是很重要的。這方面的一個(gè)例子是皮層擴(kuò)散去極化，其中去極化波通過(guò)神經(jīng)和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞擴(kuò)散到大腦。這些細(xì)胞一起去極化并在消失之前傳播到大腦中。整個(gè)過(guò)程持續(xù)約五分鐘。

我們需要能夠描述每個(gè)階段的過(guò)程，如皮質(zhì)擴(kuò)散去極化，以便醫(yī)生了解這些波是否發(fā)生，化學(xué)特征是什么，以及它是否對(duì)患者的健康構(gòu)成威脅。能夠逐秒觀察這種情況非常好。我們也可以有一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)持續(xù)十秒鐘，但是秒數(shù)卻是我們的目標(biāo)。

新型生物傳感器與傳統(tǒng)生物傳感器相比還有哪些其他優(yōu)勢(shì)?

我們的超小型生物傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是它們的尺寸，這使我們能夠?qū)⑺鼈冎踩氩⑷〕龆粫?huì)對(duì)患者或動(dòng)物造成傷害。此外，因?yàn)槲覀儧](méi)有傷害組織，我們的化學(xué)值更準(zhǔn)確，并且與我們想要研究的大腦的真實(shí)狀態(tài)相關(guān)。反過(guò)來(lái)，這使醫(yī)生能夠?yàn)榛颊咦龀鲎罴训呐R床決策。

將來(lái)，您認(rèn)為超小型微電極生物傳感器會(huì)進(jìn)入診所嗎?您的研究的下一步是什么?

我真的希望我們開(kāi)發(fā)的生物傳感器進(jìn)入診所 - 這是我研究和生活的總體目標(biāo)。我認(rèn)為它們將提供許多優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈兲峁┲鹈氡O(jiān)測(cè)，對(duì)腦組織的損傷非常小。然而，在我們開(kāi)始在患者中實(shí)施它們之前還有很長(zhǎng)的路要走......

我們需要做幾件事。首先，我們需要確保這些設(shè)備沒(méi)有毒性，并且它們不會(huì)在患者大腦中破裂。這對(duì)患者來(lái)說(shuō)是一場(chǎng)災(zāi)難，所以我們不希望如此。

我們還需要確保它們能夠在大腦中工作七到十四天。這是我們需要監(jiān)測(cè)患者的時(shí)間長(zhǎng)度，因?yàn)樗麄冊(cè)谧≡汉罂赡軙?huì)有兩周的并發(fā)癥，而且我們還沒(méi)有到那里。還有很長(zhǎng)的路要走，但我希望我們的生物傳感器有朝一日能為公眾服務(wù)。

讀者可以在哪里找到更多信息?

我們關(guān)于基于鉑化碳纖維的微創(chuàng)微電極生物傳感器的最新論文：Chatard C，Sabac A，Moreno-Velasquez L，Meiller A和Marinesco S(2018)微創(chuàng)微電極生物傳感器，用于基于鉑化碳纖維的腦監(jiān)測(cè)。ACS中央科學(xué)。4：1751-60。doi-org.gate2.inist.fr/10.1021/acscentsci.8b00797

最近一篇關(guān)于使用微電極生物傳感器監(jiān)測(cè)動(dòng)物創(chuàng)傷性腦損傷的論文：BalançaB，Meiller A，Bezin L，Dreier J，Lieutaud T和Marinesco S(2017)改變了大鼠創(chuàng)傷性腦損傷后皮質(zhì)擴(kuò)散去極化的代謝亢進(jìn)反應(yīng)。J Cereb Blood Flow Metab。37(5)：1670年至1686年。doi.org/10.1177/0271678X16657571

最近對(duì)該主題的評(píng)論：Chatard C，Meiller A和Marinesco S(2018)微電極生物傳感器，用于腦間質(zhì)液的體內(nèi)分析。電分析30：977-998。doi.org/10.1002/elan.201700836

關(guān)于StéphaneMarinesco

StéphaneMarinesco曾在法國(guó)高等理工學(xué)院接受過(guò)工程專業(yè)的培訓(xùn)，并在里昂大學(xué)獲得神經(jīng)科學(xué)博士學(xué)位，從事大鼠腦內(nèi)5-羥色胺檢測(cè)，并研究其在睡眠和壓力中的作用。

Marinesco博士接受耶魯大學(xué)和加州大學(xué)歐文分校的博士后研究員Pr Thomas J Carew的進(jìn)一步培訓(xùn)，使用電化學(xué)技術(shù)研究海洋軟體動(dòng)物中的血清素神經(jīng)調(diào)節(jié)。Marinesco博士于2005年回到法國(guó)，擔(dān)任Gif sur Yvette的CNRS助理教授，并于2008年在里昂擔(dān)任副教授。

StéphaneMarinesco目前的研究興趣集中在開(kāi)發(fā)用于腦監(jiān)測(cè)的創(chuàng)新微電極生物傳感器，并將其應(yīng)用于蛛網(wǎng)膜下腔出血或創(chuàng)傷性腦損傷后神經(jīng)損傷的研究。他的團(tuán)隊(duì)位于里昂神經(jīng)科學(xué)研究中心。

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