芬蘭推出用于醫(yī)療的針型微型傳感器

 近日，由芬蘭阿爾托大學(xué)的艾米莉亞·佩爾托拉領(lǐng)導(dǎo)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(shí)時(shí)了解神經(jīng)遞質(zhì)對(duì)治療的反應(yīng)。因?yàn)橐话闱闆r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(duì)好處是它們產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。神經(jīng)遞質(zhì)在細(xì)胞之間的移動(dòng)非常迅速，只有實(shí)時(shí)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(shí)刻，治療將變得更加有效，并且將會(huì)減少不良反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，”Peltola說。

Peltola既是科學(xué)技術(shù)博士，也是醫(yī)學(xué)研究員，多學(xué)科背景是她的工作優(yōu)勢(shì)，讓她能將技術(shù)與生物學(xué)結(jié)合在一起。她在2019年春季獲得了芬蘭科學(xué)院的一筆贈(zèng)款，并由Jane和AatosErkko基金會(huì)提供了資金，她正在尋找用于測(cè)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(xì)胞釋放該物質(zhì)的速度以及細(xì)胞攝取該物質(zhì)需要多長時(shí)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(yīng)確定要測(cè)量的神經(jīng)遞質(zhì)，局部測(cè)量可提供有關(guān)疾病機(jī)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(jìn)行測(cè)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(dāng)用針刺破手指卻無法拔出時(shí)會(huì)發(fā)生什么?為了保護(hù)你，你的身體會(huì)在“針”周圍生長疤痕組織。這是一件好事，因?yàn)楦腥究赡軙?huì)傳播并可能危及你的生命。當(dāng)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(shí)，你的身體將以相同的方式做出反應(yīng)。

需要保護(hù)我們的免疫系統(tǒng)使Peltola的工作具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樵趥鞲衅髦車纬傻陌毯劢M織會(huì)阻止其應(yīng)測(cè)量的物質(zhì)到達(dá)其表面，并且妨礙了準(zhǔn)確的測(cè)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(dāng)神經(jīng)細(xì)胞附著在傳感器上時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。但是我們的身體可以將神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)送到傳感器周圍，它們會(huì)形成疤痕組織，從而妨礙測(cè)量。為了使傳感器吸引正確種類的細(xì)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(xì)胞的組成部分，它們幾乎執(zhí)行細(xì)胞的所有功能：細(xì)胞運(yùn)動(dòng)、細(xì)胞融合、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和免疫防御。但是，蛋白質(zhì)雖然對(duì)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(cè)物質(zhì)到達(dá)那里。傳感器在鹽溶液中可以很好地工作，但是每當(dāng)流體(例如血液樣本或細(xì)胞培養(yǎng)液)中含有蛋白質(zhì)時(shí)，測(cè)量就不會(huì)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(cè)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(gè)謎。實(shí)驗(yàn)已經(jīng)檢測(cè)到，即使許多蛋白質(zhì)附著在其表面上，傳感器的電化學(xué)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(yùn)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(cè)量的方式來引導(dǎo)蛋白質(zhì)的附著。

納米纖維的厚度決定性

Peltola在Micronova工作，該實(shí)驗(yàn)室具有良好的實(shí)驗(yàn)研究設(shè)施。盡管不需要實(shí)際的無塵室，但檢查成品傳感器必須進(jìn)行無菌工作。她實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)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(zhǔn)備好傳感器材料，就該進(jìn)行實(shí)際實(shí)驗(yàn)了，該實(shí)驗(yàn)將研究神經(jīng)遞質(zhì)的測(cè)量以及細(xì)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(shí)，Peltola和她的同事們發(fā)現(xiàn)了納米纖維的厚度與細(xì)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(xì)胞，所需的神經(jīng)細(xì)胞或不良的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。

Peltola認(rèn)為，在芬蘭科學(xué)院進(jìn)行的為期五年的研究過程中，她的研究可能會(huì)發(fā)展為動(dòng)物試驗(yàn)。即使最終產(chǎn)品投入使用需要十多年的時(shí)間，這項(xiàng)研究仍將為神經(jīng)和醫(yī)學(xué)研究提供有用和適用的知識(shí)，并進(jìn)一步加深我們對(duì)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(xì)胞培養(yǎng)的本地信息，孔的底部包含并排放置的44個(gè)微觀傳感器。