神經遞質作為大腦化學信使在神經系統中發揮至關重要的作用，特別是兒茶酚胺類神經遞質如去甲腎上腺素(NE)在生理功能和疾病發生中具有重要地位。由于其結構相似性和大腦環境復雜性，NE的特異性檢測一直面臨重大技術挑戰。新興的光電化學(PEC)生物傳感器技術，特別是基于單原子材料的設計，通過創新的分子識別機制實現了NE的高選擇性、高靈敏度檢測，避免了傳統方法需要外部偏壓的問題，為神經科學研究和疾病機制探索提供了強有力的工具。這一技術的發展將極大地推動我們對神經遞質動力學和神經系統功能的理解，為未來神經精神疾病的診斷和治療提供新思路。

【研究思路】

單原子材料+分子對接，打造“鎖鑰”識別機制：

研究團隊創新性地提出了一種“分子對接”策略，設計了一種基于鋅單原子修飾的二氧化鈦（Zn?-TiO?）的光電化學生物傳感器。其核心突破在于：

①三位點協同識別：利用NE分子中鄰苯二酚羥基、側鏈羥基和伯胺基的結構特征，在Zn?-TiO?表面構建了特異性結合位點——NE的鄰苯二酚羥基與兩個Ti位點配位，側鏈羥基和胺基與Zn單原子形成穩定的五元環結構，實現對NE的“鎖鑰”式精準捕獲。

②避免外界干擾：DA和EP因缺少關鍵識別位點或存在空間位阻（如EP的甲基），無法形成類似穩定結構，從而被有效區分。

③光激發替代電刺激：采用光作為激發源，避免傳統電化學方法中外部偏壓對神經元的刺激，更適合活體長期監測。

此外，團隊還在傳感器表面修飾了抗生物污染水凝膠層，有效防止蛋白質、細胞等生物分子的干擾，提升了在復雜體液環境中的穩定性。

【研究結果】

①選擇性與靈敏度：

a、Zn?-TiO?傳感器對NE的檢測限低至3.1 nM，遠低于腦脊液中NE的生理濃度。

b、即使在DA和EP濃度高出50倍的條件下，仍能準確區分NE。

c、響應時間僅60毫秒，可實時捕捉NE的快速動態變化。

②活體驗證：在小鼠藍斑核（LC）區域植入傳感器，成功監測到藥物（如可樂定、阿托莫西汀）和鉀離子刺激引起的NE濃度變化。結果與高效液相色譜（HPLC）檢測高度一致，驗證了傳感器的可靠性。

③癲癇模型中的多腦區協同現象：在癲癇模型中，同步監測LC、皮層（Cx）和海馬（Hip）的NE動態，發現：

a、癲癇發作時，LC和Cx的NE濃度迅速上升，推測是LC釋放NE以抑制皮層異常放電；

b、海馬區NE濃度則顯著下降，可能與癲癇導致的神經元損傷有關。

c、使用抗癲癇藥物唑尼沙胺后，NE波動被抑制，癲癇行為也未發生。

d、免疫組化與行為實驗進一步證實：癲癇后海馬區細胞凋亡增加，物體識別記憶能力下降，但運動皮層功能未受影響。

圖1 用于NE選擇性體內檢測的Zn1-TiO2PEC生物傳感器示意圖

圖2 Zn1-TiO2的表征

圖3 NE的選擇性PEC檢測

圖4 LC單腦區PEC體內NE檢測

圖5 PEC在體內不同腦區的NE檢測

【參考文獻】

Gu, S., Xu, D., Huang, J. et al. Photoelectrochemical biosensor with single atom sites for norepinephrine sensing and brain region synergy in epilepsy. Nat Commun 16, 4765 (2025).

【全文鏈接】

https://doi.org/10.1038/s41467-025-60148-y

來源：未名科創