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  一氧化氮（NO）氣體作為信號(hào)分子在生物體內(nèi)具有重要的作用。在大腦中，正常濃度范圍內(nèi)的NO參與誘導(dǎo)和維持神經(jīng)細(xì)胞的發(fā)育、控制生化物質(zhì)分泌以及調(diào)節(jié)睡眠等重要功能。過(guò)量的NO則可能導(dǎo)致有毒化合物的形成，從而引起細(xì)胞損傷。此外，NO濃度的變化與多種神經(jīng)退行性疾病或心腦血管疾病密切相關(guān)。目前評(píng)估NO濃度主要依賴于對(duì)其反應(yīng)產(chǎn)物亞硝酸根或一氧化氮合酶的濃度進(jìn)行測(cè)定，但這些方法無(wú)法實(shí)時(shí)直接的精確測(cè)量NO濃度變化，難以反映生理病理活動(dòng)中NO的濃度特征。因此，研發(fā)一種能夠?qū)崟r(shí)直接監(jiān)測(cè)腦部NO的工具對(duì)于理解大腦中NO的基礎(chǔ)濃度，并為腦科學(xué)的發(fā)展提供新型的研究手段，顯得尤為必要。

  電化學(xué)一氧化氮傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)顱內(nèi)一氧化氮濃度，相較于其他監(jiān)測(cè)方法具有操作簡(jiǎn)單、成本低和具有實(shí)時(shí)直接監(jiān)測(cè)能力等優(yōu)勢(shì)。然而，NO電化學(xué)傳感在大腦中的應(yīng)用仍面臨著兩個(gè)困境。一是NO在大腦中濃度較低，通常在納摩級(jí)，對(duì)傳感的靈敏度提出了高的要求。一是在大腦中傳統(tǒng)使用的剛性傳感電極在植入后引起神經(jīng)炎癥會(huì)誘導(dǎo)大量的一氧化氮合酶的表達(dá)，從而使周圍腦組織的NO濃度異常，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確（圖1a）。

圖1基于羧基化碳納米管纖維的NO傳感器的示意圖

  通過(guò)將基于羧基化碳納米管纖維傳感器植入到大叔腦部，成功實(shí)現(xiàn)了在外界刺激下對(duì)皮層NO的濃度檢測(cè)（圖5a-c）。隨后我們通過(guò)夾閉頸動(dòng)脈構(gòu)建腦卒中疾病模型，并成功檢測(cè)到了在輕型和重型腦卒中下大鼠皮層的NO濃度變化（圖5d，e）。在重型腦卒中下，NO濃度變化更大，與大鼠的行為學(xué)變化相對(duì)應(yīng)（圖5f，g）。通過(guò)在軸向空間上排列傳感器的傳感位點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大鼠不同腦區(qū)的同時(shí)檢測(cè)，在腦卒中疾病模型中，皮層產(chǎn)生了濃度最高的NO，其次是海馬體，最后使側(cè)腦室（圖5h，i）。這是由于皮層中一氧化氮合酶數(shù)量較高，在中風(fēng)條件下能夠迅速產(chǎn)生大量的NO。海馬體中的一氧化氮合酶相較于皮層較少，而側(cè)腦室中不存在表達(dá)一氧化氮合酶的細(xì)胞，NO只能從附近的腦區(qū)擴(kuò)散到側(cè)腦室。這些結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果一致，驗(yàn)證了傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

  該工作設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于碳納米管纖維的新型電化學(xué)NO纖維傳感器，具有迄今為止報(bào)告的最高靈敏度（3245 pA·nM^?1），檢測(cè)限低至0.1 nM。此外，在植入后它能夠與腦組織形成穩(wěn)定的界面，因此沒(méi)有引起顯著的炎癥反應(yīng)或過(guò)量的NO表達(dá)，提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性。傳感器在植入后成功在腦卒中疾病模型下監(jiān)測(cè)到了不同腦區(qū)中NO的濃度變化。這種NO傳感器為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顱內(nèi)NO濃度提供了潛在的工具，這對(duì)于了解大腦中NO的功能并開發(fā)治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病至關(guān)重要。

  論文鏈接 http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s40843-024-2808-2