近日，由芬蘭阿爾托大學的艾米莉亞·佩爾托拉領(lǐng)導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)生將實時了解神經(jīng)遞質(zhì)對治療的反應。因為一般情況下，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。

“這種傳感器的絕對好處是它們產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的實時性。神經(jīng)遞質(zhì)在細胞之間的移動非常迅速，只有實時方法才能讓我們知道每種物質(zhì)中存在多少特定物質(zhì)。在特定的時刻，治療將變得更加有效，并且將會減少不良反應的風險，”Peltola說。

Peltola既是科學技術(shù)博士，也是醫(yī)學研究員，多學科背景是她的工作優(yōu)勢，讓她能將技術(shù)與生物學結(jié)合在一起。她在2019年春季獲得了芬蘭科學院的一筆贈款，并由Jane和AatosErkko基金會提供了資金，她正在尋找用于測量神經(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、細胞釋放該物質(zhì)的速度以及細胞攝取該物質(zhì)需要多長時間，而現(xiàn)有方法無法收集此信息。

放置大腦部位的傳感器應確定要測量的神經(jīng)遞質(zhì)，局部測量可提供有關(guān)疾病機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)進行測量，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

當用針刺破手指卻無法拔出時會發(fā)生什么?為了保護你，你的身體會在“針”周圍生長疤痕組織。這是一件好事，因為感染可能會傳播并可能危及你的生命。當你的身體(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，你的身體將以相同的方式做出反應。

需要保護我們的免疫系統(tǒng)使Peltola的工作具有挑戰(zhàn)性，因為在傳感器周圍形成的疤痕組織會阻止其應測量的物質(zhì)到達其表面，并且妨礙了準確的測量。

研究人員希望，嵌入人體的傳感器將成為其組織的一部分，當神經(jīng)細胞附著在傳感器上時，就會發(fā)生這種情況。但是我們的身體可以將神經(jīng)膠質(zhì)細胞發(fā)送到傳感器周圍，它們會形成疤痕組織，從而妨礙測量。為了使傳感器吸引正確種類的細胞，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)是所有細胞的組成部分，它們幾乎執(zhí)行細胞的所有功能：細胞運動、細胞融合、信號轉(zhuǎn)導和免疫防御。但是，蛋白質(zhì)雖然對人類至關(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，防止被測物質(zhì)到達那里。傳感器在鹽溶液中可以很好地工作，但是每當流體(例如血液樣本或細胞培養(yǎng)液)中含有蛋白質(zhì)時，測量就不會那么成功。

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)性仍是一個謎。實驗已經(jīng)檢測到，即使許多蛋白質(zhì)附著在其表面上，傳感器的電化學也仍然起作用，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)以不干擾測量的方式來引導蛋白質(zhì)的附著。

納米纖維的厚度決定性

Peltola在Micronova工作，該實驗室具有良好的實驗研究設(shè)施。盡管不需要實際的無塵室，但檢查成品傳感器必須進行無菌工作。她實驗室的一個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。一旦準備好傳感器材料，就該進行實際實驗了，該實驗將研究神經(jīng)遞質(zhì)的測量以及細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，Peltola和她的同事們發(fā)現(xiàn)了納米纖維的厚度與細胞形狀之間的聯(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胞，所需的神經(jīng)細胞或不良的神經(jīng)膠質(zhì)細胞。

Peltola認為，在芬蘭科學院進行的為期五年的研究過程中，她的研究可能會發(fā)展為動物試驗。即使最終產(chǎn)品投入使用需要十多年的時間，這項研究仍將為神經(jīng)和醫(yī)學研究提供有用和適用的知識，并進一步加深我們對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)皿可以獲得細胞培養(yǎng)的本地信息，孔的底部包含并排放置的44個微觀傳感器。