苏彬JACS：微电极@COF空间受限电化学检测小鼠脑多巴胺！

研究内容

帕金森病(PD)是一种进行性神经退行性疾病，导致黑质多巴胺能神经元的丧失和纹状体多巴胺(DA)的急剧消耗；因此，DA可以作为PD诊断和治疗评价的标志物。然而，由于DA浓度低，采样困难，检测大脑中的DA并不容易。

浙江大学苏彬 报道了共价有机框架(COF)修饰的碳纤维微电极(cCFE)的制备，由于COF修饰具有出色的抗生物污染和抗化学污染能力、优异的分析选择性和灵敏度。cCFE可以稳定、连续地在小鼠大脑中检测DA并监测其浓度的变化。此外，它与左旋多巴给药相结合，设计了一种用于PD诊断和治疗的闭环反馈模式，其中cCFE实时监测PD模型小鼠大脑中DA的浓度，以指示左旋多巴的剂量和注射时间，从而允许定制药物来提高治疗效果，同时避免不良副作用。相关工作以“ COF-Coated Microelectrode for Space-Confined Electrochemical Sensing of Dopamine in Parkinson’s Disease Model Mouse Brain ”为题发表在国际著名期刊 Journal of the American Chemical Society 上。

研究要点

要点1. 在cCFE电极中，COF的结构和理化性质可以为cCFE提供优异的体内性能，增强其抗生物污染和化学污染能力、选择性和稳定性。COF的超小纳米孔可以通过锁定DA的构象来限制DA的电化学氧化，同时通过抑制DA及其氧化产物的低聚来避免电极表面钝化。

要点2. 由于各种神经递质对COF的吸附能不同，cCFE对DA表现出优异的选择性。cCFE可以稳定、连续地在小鼠大脑中检测DA并监测其浓度的变化。在患有帕金森病模型的小鼠的大脑纹状体中，由于多巴胺能神经元的凋亡，检测到DA浓度比正常水平显著降低了～2.3倍。

要点3. cCFE与左旋多巴(L-Dopa)给药相结合，作者设计了一种用于PD诊断和治疗的闭环反馈模式，其中cCFE实时监测PD模型小鼠大脑中DA的浓度，指示左旋多巴的剂量和注射时间，从而允许定制药物来提高治疗效果，同时避免不良副作用。

该工作证明了COF在制造用于体内生物分析的电化学传感器方面的优秀特性。具有结构可调性和多样性的COF将为选择性检测大脑中的神经递质提供巨大的前景。

研究图文

图1. （a）CFE上生长TpPa-COF及其孔结构的示意图。CFE（b）和cCFE（c）的SEM。插图显：TpPa COF的形态。（d）氮吸附等温线和BET表面积。（e）非局部密度泛函理论计算孔径分布。（f）TpPa COF的实验测量(黑)和模拟(红)XRPD 。

图2. （a）cCFE的抗污机理示意图。在含有10 mg mL -1 FITC-BSA的aCSF中浸泡2小时后，CFE（b）和cCFE（c）的FL图像。用DAPI、Cy 3和Alexa Fluor 488对脑切片进行染色，分别对细胞核(蓝色FL)、星形胶质细胞(红色FL)和小胶质细胞(绿色FL)进行成像。白色圆圈表示cCFE的植入部位。cCFE和钨丝植入的脑切片中染色星形胶质细胞（f）和小胶质细胞（g）的平均FL强度的统计数据(d=30 μm，n=6只小鼠)。（h）CFE和cCFE(n=3个电极)的后校准和预校准之间的灵敏度比S post /S pre 。

图3.（a）DA电化学氧化过程中化学结垢过程(即电极表面聚多巴胺的形成)的示意图。CFE（b）和cCFE（c）在含有20和200 μM DA的aCSF中获得的第一次和第50次电位扫描循环的CV。电位扫描速率为50 mV s -1 。（d）DA在+0.26 V下的氧化电流的相对变化。Current 50 和Current 1 是指第1个和第50个CV在+0.26 V下的电流。（e）在含有200 μM DA的aCSF中，在CV的50次循环之前(黑色)和之后(红色和灰色)，从CFE和cCFE表面测量的拉曼光谱。

图4.（a）TpPa COF中DA(黑色)和DHI-DHI(红色)的计算扩散。（b）DA和TpPa-COF之间的结合相互作用以及吸附能。（c，d）在20 ns MD模拟期间，TpPa COF层中DA(灰色)和DHI-DHI(红色)的垂直和平行构象的统计。在20 ns模拟之后，DA（e）和DHI-DHI（f）沿着TpPa COF层的法线方向的分子扩散轨迹和归一化原子密度。

图5.（a）在含有不同浓度DA的aCSF中用cCFE记录的DPV。（b）cCFE的线性响应范围。（c）cCFE检测aCSF中20 μM DA的选择性。干扰物：100 μM抗坏血酸(AA)、100 μM尿酸(UA)、100 µM L-多巴、25 μM 3，4-二羟基苯乙酸(DOPAC)、20 μM肾上腺素(EP)、20 µM去甲肾上腺素(NE)、20 µM 5-羟色胺(5-HT)、5 mM乳酸(Lac)、100 µM 腺苷和5 mM葡萄糖(Glu)的选择性。

图6. 5-羟色胺、肾上腺素、去甲肾上腺素和TpPa-COF之间的结合相互作用（a）和相应的吸附能（b）。（c）TpPa COF纳米孔中DA、5-羟色胺(5-HT)、肾上腺素(EP)和去甲肾上腺素(NE)的分布密度图。

图7.（a）PD诊断和用药的反馈闭环模式。三电极配置用于实时监测小鼠大脑中DA的浓度，通过将药物溶液注射到腹腔来指示L-Dopa给药的剂量和时间。cCFE植入大脑纹状体，Pt线和微Ag/AgCl(aCSF)电极放置在小鼠颅骨外用作对电极和参比电极。正常和PD模型小鼠用DAPI(蓝色FL)和Cy3(红色FL)染色的脑切片的共聚焦FL图像（b）以及多巴胺能神经元(红色FL，n=8只小鼠)的平均FL强度的相应统计数据（c）。（d）在高剂量L-Dopa注射(0.13 mg g -1 )30分钟前后，PD模型小鼠大脑纹状体中记录的DPV。DA浓度由+0.12 V的氧化电流计算。（e）生理盐水注射后正常小鼠大脑纹状体(黑色)以及高剂量L-Dopa(0.13 mg g -1 )注射后正常(红色)和PD模型(蓝色)小鼠大脑纹状体DA浓度的变化。灰色区域表示大脑中DA的正常范围。（f）正常小鼠大脑纹状体中DA浓度在盐水注射前(0分钟)和注射后30分钟(黑色)以及正常(红色)和PD模型(蓝色)小鼠大脑纹状体在高剂量L-Dopa(0.13 mg g -1 )注射前(10分钟)和30分钟后(n=8只小鼠)的统计。（g）注射两次低剂量L-Dopa(0.06 mg g -1 )前后正常小鼠大脑纹状体DA浓度的变化。（h）PD模型小鼠大脑纹状体中DA浓度在第一次注射L-Dopa之前(0分钟)、之后20分钟和之后第二次注射10分钟(n＝8只小鼠)的统计。

文献详情

COF-Coated Microelectrode for Space-Confined Electrochemical Sensing of Dopamine in Parkinson’s Disease Model Mouse Brain

Lin Zhou, Rongjie Yang, Xinru Li, Nuo Dong, Boyu Zhu, Jingjing Wang, Xingyu Lin, Bin Su*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.3c08256

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