活体脑化学物质实时分析系统

作为神经,大脑是运动,感觉,情感等生命活动的中心。因此,脑科学的研究对于理解和认识各种神经生理和病理过程的本质具有极其重要的意义。

脑功能的神经信号传递绝大多数需要多种神经化学物质的共同参与,包括神经递质(如儿茶酚胺、谷氨酸,y-氨基丁酸,乙酰、神经肽等)神经调质(如抗坏血酸等),能量物质(如葡萄糖、乳酸、ATP等),离子(如H'.K* ,Na',Ca'*,CI等)以及其它重要的神经分子(如H,O, ,H,S,NO等)[1.2]。

因此,建立和发展新的分析化学的原理和方法,在层次实现脑化学的动态监测,将极大推动对脑功能和脑疾病分子机制的研究。

活体脑化学物质实时分析系统交换膜

为了提高代氧化酶型生物传感器的选择性,研究人员曾在传感器的表面再覆盖一层离子交换膜[°]或者电化学聚合膜',从而抑制电化学活性物质(如抗坏血酸)向电极表面的扩散和的电化学氧化。

抗坏血酸对于传感器的干扰也可通过在电极表面或在线电化学传感器上游引人抗坏血酸氧化酶修饰层或酶柱,预先氧化抗坏血酸进而消耗其含量实现(]。Baker等l在铂微电极表面电聚合邻苯二胺薄膜,并修饰以甲酯,醋酸纤维素等作为稳定剂,结合生物识别元件(氧化酶)实现了大鼠脑内的原位电化学分析。

Li等(通过在葡萄糖氧化酶修饰的电极上电聚合一层邻苯二胺薄膜,提高了对葡萄糖的选择性,并将该阵列电极成功用于大鼠扩散性抑制过程中葡萄糖,O。和电生理活动的同时测定。他们发现,在SD过程中,脑内葡萄糖和氧分压会发生明显的变化。

Chatard等l5利用气相沉积的方法在直径7 um 的碳纤维表面镀铂,再电聚合一层间苯二胺薄膜,较好地抑制了内源性电活性分子向电极表面的扩散。

通过使用葡萄糖氧化酶和乳酸氧化酶,他们研制出了对脑组织创伤较小,但对于葡萄糖和乳酸具有良好响应的电化学生物传感器,成功用于脑神经生理病理模型中葡萄糖和乳酸动态变化的研究。

他们还发现,在SD过程中,传统微电极和碳纤维微电极对葡萄糖和乳酸的响应表现出较大差异。

活体脑化学物质实时分析系统在线分析系统

基于氧化酶构建的代电化学生物传感器已被用于构建在线分析系统。Rogers 等[l通过电聚合将葡萄糖氧化酶固定在微流控芯片的工作电极上,有效避免了抗坏血酸、多巴胺等内源性电活性分子的干扰。

他们结合快速微透析取样技术,研究了SD过程中脑内葡萄糖的变化规律;通过使用米松,实现了脑内葡萄糖浓度的长期监测(]。为了解决H,0,检测时的过电位问题,辣根过氧化物酶( Horseradish peroxidase , HRP)作为H,0。

还原的生物酶催化剂,常被用于构筑高选择性的电化学生物传感器。在该类传感体系中,通常需要外加电子媒介体实现 HRP和电极之间的电子传递。

Niwa等lSS制备了固定有谷氨酸氧化酶的反应器,将饿的配合物与HRP复合而形成的凝胶(Os-gel-HRP)修饰在玻碳电极上,并以此作为检测器,发展了谷氨酸的在线分析方法,灵敏度高(24.3 nA/( umol/L)) ,检出限低(7.2 nmoL/L) ,成功检测到KCl刺激单个神经元细胞及电刺激脑切片引起的亚微摩尔及微摩尔水平的谷氨酸变化。

Osborone 等[制备了一种双半圆形的工作电极,分别在两个半圆电极上修饰了Os-gel-HRP/葡萄糖氧化酶和Os-gel-HRP/乳酸氧化酶,在克服了电极间交叉干扰的前提下,建立了脑内葡萄糖和乳酸浓度同时检测的在线电化学分析方法,实现了大鼠在清醒状。

脑化学神经递质的包装

合成好的神经递质要包装到囊泡中贮存，以待释放。不同的递质包装到不同的囊泡，它们在形态上能很容易区分。

小分子递质如乙酰和氨基酸，被包装到直径为40~60nm的小囊泡中，位于囊泡膜上的递质转运体主动把胞质内合成好的小分子递质泵入囊泡内贮存。

小囊泡电子密度低，在电镜下中心明亮，故称为中心明亮的小囊泡，也称突触囊泡。

神经多肽则被包装到直径为90~250nm的大囊泡中，这种大囊泡的电子密度高，在电镜下中心不透明，称为中心致密的大囊泡，也称分泌颗粒然而对于胺类递质来说，它们既可以贮存在透明的小囊泡里，也可以像多肽类递质一样被包装到致密囊泡中，这取决于特定的神经元种类。