极小微电极脑损伤分析生物传感器

 来自Inserm的里昂神经科学研究中心的一次采访，讨论了用于分析创伤性脑损伤的超小型微电极生物传感器的开发，没有传统微电极生物传感器的风险。这次采访是在2019年的Pittcon进行的。

为什么在创伤性脑损伤(TBI)后监测间质液的化学变化很重要?

对于可能处于昏迷状态，已经停止说话或无法对临床检查做出反应的严重受伤患者，医生需要使用设备来了解大脑是如何恢复的。为了监测大脑活动，生物传感器可用于分析大脑间质液。由此，我们可以做出临床决定，并在必要时启动治疗。

在受伤的大脑中通常会发现什么代谢变化?

对于严重的脑损伤，我们通常监测葡萄糖，乳酸和丙酮酸等代谢物，它们告诉我们大脑是如何产生能量的。有特定的模式可以告诉我们大脑是否正在恢复。

例如，如果大脑正在自我修复，它将消耗大量的葡萄糖，因此你可以看到浓度下降。在这个过程中产生了大量的乳酸和丙酮酸，所以你会看到浓度上升。这是一个好兆头。相反，如果大脑不能产生能量，你会看到乳酸上升，丙酮酸下降。这可以通过脑微透析检测，并且可能在未来使用微电极生物传感器。

为什么微电极生物传感器可用于检测脑间质液的神经化学变化?

微电极生物传感器是有用的，因为它们可以小型化到非常小的尺寸。这有助于防止插入探头时对大脑造成伤害。另一个优点是它们可以提供逐秒数据，使我们能够观察大脑中正在发生的非常快速和瞬态的变化。

传统微电极生物传感器的主要局限是什么?

主要限制是探针的大小。我们必须插入探针以了解大脑内部的化学反应。这会伤害大脑，特别是组织中的小血管。这产生了两个问题。首先，它会对大脑造成进一步的伤害，其次，它会降低数据的有效性。

即使我们没有造成任何损害，另一个问题是当插入探针时我们不知道周围组织是否表现不同。然而，微电极生物传感器目前在动物中进行测试，并且与诸如脑内微透析的常规技术相比代表了重大进步。

请问您能描述一下您开发的超小型微电极生物传感器吗?

微电极生物传感器由微电极和固定在尖端上的酶组成。它基本上是一种小型化的酶测定法。如上所述，传统的微电极生物传感器具有许多风险。在我的研究团队中，我们开发了一种使用碳纤维直径为12微米的超小型生物传感器。这非常小，我们很自豪能够实现这一目标。

当生物传感器植入大鼠模型时，您看到了什么?为什么这很重要?

当将生物传感器植入大鼠模型时，我们看到大脑中的氧水平和乳酸水平降低。这证明了我们根据传统微电极生物传感器的数据得出的浓度估算并不完全准确。然后我们能够将估计值调整到更接近现实的值，因此测试非常重要。

我们还发现传感器周围的小血管得以保留。这表明我们的探针在插入和移除时不太可能损伤周围组织。如果我们想将我们的传感器应用于患者，这将是非常重要的。

你为什么选择使用镀铂碳纤维?

铂是制造微电极生物传感器的首选材料。然而，铂丝的问题在于它们往往很厚。此外，铂是一种柔软的金属，所以如果你把线做得太薄，整个东西就会弯曲，使它无法操纵。

因此，我们决定通过设计一种用铂金覆盖碳纤维的方法来结合这两种性能。通过这样做，我们获得了具有铂的所有化学特性的超小物体，这两者兼具优势。为了解决这个问题，我们转向碳纤维。碳纤维非常坚硬，可以轻松操作。碳的唯一问题是它不是一种很好的电化学材料，可用于我们想做的那种分析。

为什么能够在TBI后逐秒监测大脑很重要?

我们知道，在受伤的大脑中，我们希望能够看到一些非常快速和瞬态的病理事件，因此任何技术都具有高时间分辨率是很重要的。这方面的一个例子是皮层扩散去极化，其中去极化波通过神经和神经胶质细胞扩散到大脑。这些细胞一起去极化并在消失之前传播到大脑中。整个过程持续约五分钟。

我们需要能够描述每个阶段的过程，如皮质扩散去极化，以便医生了解这些波是否发生，化学特征是什么，以及它是否对患者的健康构成威胁。能够逐秒观察这种情况非常好。我们也可以有一个数据点持续十秒钟，但是秒数却是我们的目标。

新型生物传感器与传统生物传感器相比还有哪些其他优势?

我们的超小型生物传感器的主要优点是它们的尺寸，这使我们能够将它们植入并取出而不会对患者或动物造成伤害。此外，因为我们没有伤害组织，我们的化学值更准确，并且与我们想要研究的大脑的真实状态相关。反过来，这使医生能够为患者做出最佳的临床决策。

将来，您认为超小型微电极生物传感器会进入诊所吗?您的研究的下一步是什么?

我真的希望我们开发的生物传感器进入诊所 - 这是我研究和生活的总体目标。我认为它们将提供许多优势，因为它们提供逐秒监测，对脑组织的损伤非常小。然而，在我们开始在患者中实施它们之前还有很长的路要走......

我们需要做几件事。首先，我们需要确保这些设备没有毒性，并且它们不会在患者大脑中破裂。这对患者来说是一场灾难，所以我们不希望如此。

我们还需要确保它们能够在大脑中工作七到十四天。这是我们需要监测患者的时间长度，因为他们在住院后可能会有两周的并发症，而且我们还没有到那里。还有很长的路要走，但我希望我们的生物传感器有朝一日能为公众服务。

读者可以在哪里找到更多信息?

我们关于基于铂化碳纤维的微创微电极生物传感器的最新论文：Chatard C，Sabac A，Moreno-Velasquez L，Meiller A和Marinesco S(2018)微创微电极生物传感器，用于基于铂化碳纤维的脑监测。ACS中央科学。4：1751-60。doi-org.gate2.inist.fr/10.1021/acscentsci.8b00797

最近一篇关于使用微电极生物传感器监测动物创伤性脑损伤的论文：BalançaB，Meiller A，Bezin L，Dreier J，Lieutaud T和Marinesco S(2017)改变了大鼠创伤性脑损伤后皮质扩散去极化的代谢亢进反应。J Cereb Blood Flow Metab。37(5)：1670年至1686年。doi.org/10.1177/0271678X16657571

最近对该主题的评论：Chatard C，Meiller A和Marinesco S(2018)微电极生物传感器，用于脑间质液的体内分析。电分析30：977-998。doi.org/10.1002/elan.201700836

关于StéphaneMarinesco

StéphaneMarinesco曾在法国高等理工学院接受过工程专业的培训，并在里昂大学获得神经科学博士学位，从事大鼠脑内5-羟色胺检测，并研究其在睡眠和压力中的作用。

Marinesco博士接受耶鲁大学和加州大学欧文分校的博士后研究员Pr Thomas J Carew的进一步培训，使用电化学技术研究海洋软体动物中的血清素神经调节。Marinesco博士于2005年回到法国，担任Gif sur Yvette的CNRS助理教授，并于2008年在里昂担任副教授。

StéphaneMarinesco目前的研究兴趣集中在开发用于脑监测的创新微电极生物传感器，并将其应用于蛛网膜下腔出血或创伤性脑损伤后神经损伤的研究。他的团队位于里昂神经科学研究中心。

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