团队在脑活体化学信号高时空分辨的分析新方法新工具开发上取得系列前沿性进展
大脑是人体最复杂的器官，是神经系统最高级的部分，解析大脑的生理和病理过程具有非常重要的意义。大脑功能的实现依赖于神经元电信号和化学信号的传递。电生理技术作为一种成熟的研究手段常被用于大脑的研究工作中，解析神经元编码机制及大脑传递的信息。电化学方法因其高时空分辨、原位、实时的特点，在活体研究中备受关注。
然而,电生理技术只能获取神经元交流的电信号，而电信号的产生主要取决于神经递质和离子的化学信号的变化。因此，只有同时监测这些化学信号和电信号，才能更加充分了解大脑中的生理和病理过程。
田阳教授团队一直致力于脑活体分析方法的研究，针对活体分析中选择性、准确性、灵敏度、多物质同时分析、化学信号和电信号的同时等关键科学问题，发展了一系列高效的活性分析新方法，实现了脑研究中系列的突破性进展。
更“靠谱”的比率型活体电化学微传感，解析神经退行性疾病的分子机制
早在2013年，田阳教授团队就利用无铜超氧化物歧化酶（apo-SOD）对Cu2+的特异性结合，以二茂铁作为内参比，率先提出了双通道比率型的电化学分析策略。该方法可实时校正测定环境的差异所引起的测定误差，显著提升了活体电化学分析的准确度。(Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 8129-8133)
进而，他们合成了对铜离子具有特异性的分子N,N-二-(2-吡啶基)乙二胺(DEPA)和N-(2-氨基乙基)-N,N',N'-三-(吡啶-2-基甲基)乙烷-1,2-二胺(AE-TPEA),以亚甲基蓝为参比分子(HS-DNA-MB)，构建了高选择性的单通道比率型电化学传感，成功实现了阿尔兹海默症(AD)鼠脑中铜离子和半胱氨酸的双检测。通过检测首次发现：相较于正常鼠，AD鼠脑中铜离子增加了约5倍，半胱氨酸减少了约3倍(Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 14053-14056；Anal. Chem., 2015, 87, 2931-2936)。
双信号输出的电化学传感用于鼠脑疾病中多种物质的同时分析
鉴于铜离子和亚铜离子在氧化应激中的密切联系，他们进一步设计并合成了系列N，N-双(2-[2-（乙硫基）乙基] )衍生物用于亚铜离子的选择性识别，系统探讨了分子结构和电化学行为之间的关系。 同时，利用9,10-蒽醌作为pH的特异性识别元素，2,2'-联氮-双-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸(ABTS)为内参比分子，率先提出了电流和电位双信号输出的比率型传感模式，最终实现了鼠脑中不同脑区Cu+和pH的同时分析。实验结果表明，AD鼠脑中Cu+含量是正常鼠的1.8倍，而pH变化不大。这一发现，为深入解析铜离子在氧化应激及神经退行性疾病中的分子机制，提供了可靠的方法(Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 16328-16332)。
最近，他们将这一分析策略进一步提升，设计并合成了双响应比率型单分子探针Hemin-Fc。该分子中的Hemin基团可实现对O2和pH的双响应，而Fc基团可作为内参比，提升测定准确性。最终，通过将Hemin-Fc修饰于碳纳米管微电极上，构建了O2和pH同时分析的电化学传感。田阳教授团队首次采用二条插值法，报道了缺血时不同脑区以及肿瘤饥饿治疗期间O2和pH的改变(Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 10471-10475)。由于方法的创新性及可靠性，上海交通大学附属医学院神经生物学家徐天乐团队、复旦大学附属中山医院丁小强团队正应用田阳教授团队所发展的探针，研究脑神经的生理病理过程。
全新纳米级“光生理”探针开辟活体分析新篇章
SERS因其高灵敏度、特异性以及高光谱分辨率的特点而被应用于活细胞及组织的物质检测中(Sci. Adv. 2018, 4, eaau3494)。为了避免传统电化学方法测量时施加的外部电信号，可能对脑生理过程产生扰动的关键问题，田阳教授团队率先设计并开发了一系列从纳米尺寸到微米尺寸的近红外光激发的表面增强散射(SERS)的“光生理”探针，实现了活体鼠脑及神经元中CO32-和pH的同时分析(Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 10.1002/anie.201814286)。
新型“光生理探针”阵列，用于鼠脑及神经元中碳酸根和pH的同时SERS分析
研究人员制备了尖端尺寸为5 μm的SERS微米阵列，首次应用于活鼠脑皮层中的CO32-和pH的实时成像和同时定量测量。利用该SERS微阵列，研究人员发现当鼠脑发生缺氧时，鼠脑皮层中的CO32-和pH都显著降低。因为SERS无需外加电场，所以可以将SERS方法与电生理方法进行联用，从而获得了不同状态下鼠脑中的电信号和化学信号。SERS技术结合电生理学开辟了一种获取脑中电信号和化学信号的新方法，这是极具开创意义的。
研究人员为了进一步了解单细胞水平的缺血机制，成功将尖端尺寸为200 nm的SERS纳米探针应用于单个神经元中的测定。该工作不仅为生物传感器的开发提供了一种新的方法，而且开辟了一种新的分析方法来理解化学物质在生理和病理过程中从大脑层面到细胞水平所扮演的角色。
田阳教授和团队成员
系列研究论文集：
1. Chai, Xiaolan.; Zhou, Xinguang.; Zhu, Anwei.; Zhang, Limin.; Qin, Yao.; Shi, Guoyue.; Tian, Yang.*
A two-channel ratiometric electrochemical biosensor for in vivo monitoring of copper ions in a rat brain using gold truncated octahedral microcages.
Angew. Chem. Int. Ed.2013,52, 8129-8133.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201302958
2. Luo, Yongping.; Zhang, Limin.; Liu, Wei.; Yu, Yanyan.; Tian, Yang.*
A single biosensor for evaluating the levels of copper ion and L-cysteine in a live rat brain with Alzheimer’s disease.
Angew. Chem. Int. Ed.2015,54, 14053-14056.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201508635
3. Zhang, Limin.; Han, Yingying.; Zhao, Fan.; Shi, Guoyue.;* Tian, Yang.*
A Selective and Accurate Ratiometric Electrochemical Biosensor for Monitoring of Cu2+ Ions in a Rat Brain.
Anal. Chem.2015,87, 2931-2936.
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/ac504448m
4. Liu, Wei.; Dong, Hui.; Zhang, Limin.;* Tian, Yang*.
Developing an efficient biosensor for the in vivo quantification of Cu+ ion concentration and pH in the Brain: Rational Design and Synthesis of Recognition Molecules.
Angew. Chem. Int. Ed.2017,56, 16328-16332.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201710863
5. Liu, Li.; Zhao, Fan.; Liu, Wei.; Zhu, Tong.; Zhang, John. Z. H.; Chen, Chen.; Dai, Zhihui.;* Peng, Huisheng.; Huang, Jun-long.; Hu, Qin.; Bu, Wenbo.; Tian, Yang.*
An electrochemical biosensor with dual signal outputs: toward simultaneous quantification of pH and O2 in the brain upon ischemia and in a tumor during cancer starvation therapy.
Angew. Chem. Int. Ed.2017,56, 10471-10475.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201705615
6. Feng, Enduo.; Zheng, Tingting.;* He, Xiaoxiao.; Chen, Jinquan.; Tian, Yang*
A novel ternary heterostructure with dramatic SERS activity for evaluation of PD-L1 expression at the single-cell level.
Sci. Adv.2018,4(11).
http://advances.sciencemag.org/content/4/11/eaau3494
7. Wang, Weikang.; Zhao, Fan.; Li, Minzhi.; Zhang, Chuanping.; Shao, Yuanhua.; Tian, Yang.*
A SERS Optophysiology Probe for Real‐time Mapping and Simultaneous Quantification of Carbonate and pH in a Live Mouse Brain
Angew. Chem. Int. Ed.DOI:10.1002/anie.201814286
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201814286
图文｜吕安琪来源｜化学与分子工程学院编辑｜吴诗编审｜郭文君
