來自Inserm的里昂神經(jīng)科學研究中心的一次采訪，討論了用于分析創(chuàng)傷性腦損傷的超小型微電極生物傳感器的開發(fā)，沒有傳統(tǒng)微電極生物傳感器的風險。這次采訪是在2019年的Pittcon進行的。

為什么在創(chuàng)傷性腦損傷(TBI)后監(jiān)測間質(zhì)液的化學變化很重要?

對于可能處于昏迷狀態(tài)，已經(jīng)停止說話或無法對臨床檢查做出反應的嚴重受傷患者，醫(yī)生需要使用設備來了解大腦是如何恢復的。為了監(jiān)測大腦活動，生物傳感器可用于分析大腦間質(zhì)液。由此，我們可以做出臨床決定，并在必要時啟動治療。

在受傷的大腦中通常會發(fā)現(xiàn)什么代謝變化?

對于嚴重的腦損傷，我們通常監(jiān)測葡萄糖，乳酸和丙酮酸等代謝物，它們告訴我們大腦是如何產(chǎn)生能量的。有特定的模式可以告訴我們大腦是否正在恢復。

例如，如果大腦正在自我修復，它將消耗大量的葡萄糖，因此你可以看到濃度下降。在這個過程中產(chǎn)生了大量的乳酸和丙酮酸，所以你會看到濃度上升。這是一個好兆頭。相反，如果大腦不能產(chǎn)生能量，你會看到乳酸上升，丙酮酸下降。這可以通過腦微透析檢測，并且可能在未來使用微電極生物傳感器。

為什么微電極生物傳感器可用于檢測腦間質(zhì)液的神經(jīng)化學變化?

微電極生物傳感器是有用的，因為它們可以小型化到非常小的尺寸。這有助于防止插入探頭時對大腦造成傷害。另一個優(yōu)點是它們可以提供逐秒數(shù)據(jù)，使我們能夠觀察大腦中正在發(fā)生的非?？焖俸退矐B(tài)的變化。

傳統(tǒng)微電極生物傳感器的主要局限是什么?

主要限制是探針的大小。我們必須插入探針以了解大腦內(nèi)部的化學反應。這會傷害大腦，特別是組織中的小血管。這產(chǎn)生了兩個問題。首先，它會對大腦造成進一步的傷害，其次，它會降低數(shù)據(jù)的有效性。

即使我們沒有造成任何損害，另一個問題是當插入探針時我們不知道周圍組織是否表現(xiàn)不同。然而，微電極生物傳感器目前在動物中進行測試，并且與諸如腦內(nèi)微透析的常規(guī)技術相比代表了重大進步。

請問您能描述一下您開發(fā)的超小型微電極生物傳感器嗎?

微電極生物傳感器由微電極和固定在尖端上的酶組成。它基本上是一種小型化的酶測定法。如上所述，傳統(tǒng)的微電極生物傳感器具有許多風險。在我的研究團隊中，我們開發(fā)了一種使用碳纖維直徑為12微米的超小型生物傳感器。這非常小，我們很自豪能夠實現(xiàn)這一目標。

當生物傳感器植入大鼠模型時，您看到了什么?為什么這很重要?

當將生物傳感器植入大鼠模型時，我們看到大腦中的氧水平和乳酸水平降低。這證明了我們根據(jù)傳統(tǒng)微電極生物傳感器的數(shù)據(jù)得出的濃度估算并不完全準確。然后我們能夠將估計值調(diào)整到更接近現(xiàn)實的值，因此測試非常重要。

我們還發(fā)現(xiàn)傳感器周圍的小血管得以保留。這表明我們的探針在插入和移除時不太可能損傷周圍組織。如果我們想將我們的傳感器應用于患者，這將是非常重要的。

你為什么選擇使用鍍鉑碳纖維?

鉑是制造微電極生物傳感器的首選材料。然而，鉑絲的問題在于它們往往很厚。此外，鉑是一種柔軟的金屬，所以如果你把線做得太薄，整個東西就會彎曲，使它無法操縱。

因此，我們決定通過設計一種用鉑金覆蓋碳纖維的方法來結合這兩種性能。通過這樣做，我們獲得了具有鉑的所有化學特性的超小物體，這兩者兼具優(yōu)勢。為了解決這個問題，我們轉向碳纖維。碳纖維非常堅硬，可以輕松操作。碳的唯一問題是它不是一種很好的電化學材料，可用于我們想做的那種分析。

為什么能夠在TBI后逐秒監(jiān)測大腦很重要?

我們知道，在受傷的大腦中，我們希望能夠看到一些非?？焖俸退矐B(tài)的病理事件，因此任何技術都具有高時間分辨率是很重要的。這方面的一個例子是皮層擴散去極化，其中去極化波通過神經(jīng)和神經(jīng)膠質(zhì)細胞擴散到大腦。這些細胞一起去極化并在消失之前傳播到大腦中。整個過程持續(xù)約五分鐘。

我們需要能夠描述每個階段的過程，如皮質(zhì)擴散去極化，以便醫(yī)生了解這些波是否發(fā)生，化學特征是什么，以及它是否對患者的健康構成威脅。能夠逐秒觀察這種情況非常好。我們也可以有一個數(shù)據(jù)點持續(xù)十秒鐘，但是秒數(shù)卻是我們的目標。

新型生物傳感器與傳統(tǒng)生物傳感器相比還有哪些其他優(yōu)勢?

我們的超小型生物傳感器的主要優(yōu)點是它們的尺寸，這使我們能夠將它們植入并取出而不會對患者或動物造成傷害。此外，因為我們沒有傷害組織，我們的化學值更準確，并且與我們想要研究的大腦的真實狀態(tài)相關。反過來，這使醫(yī)生能夠為患者做出最佳的臨床決策。

將來，您認為超小型微電極生物傳感器會進入診所嗎?您的研究的下一步是什么?

我真的希望我們開發(fā)的生物傳感器進入診所 - 這是我研究和生活的總體目標。我認為它們將提供許多優(yōu)勢，因為它們提供逐秒監(jiān)測，對腦組織的損傷非常小。然而，在我們開始在患者中實施它們之前還有很長的路要走......

我們需要做幾件事。首先，我們需要確保這些設備沒有毒性，并且它們不會在患者大腦中破裂。這對患者來說是一場災難，所以我們不希望如此。

我們還需要確保它們能夠在大腦中工作七到十四天。這是我們需要監(jiān)測患者的時間長度，因為他們在住院后可能會有兩周的并發(fā)癥，而且我們還沒有到那里。還有很長的路要走，但我希望我們的生物傳感器有朝一日能為公眾服務。

讀者可以在哪里找到更多信息?

我們關于基于鉑化碳纖維的微創(chuàng)微電極生物傳感器的最新論文：Chatard C，Sabac A，Moreno-Velasquez L，Meiller A和Marinesco S(2018)微創(chuàng)微電極生物傳感器，用于基于鉑化碳纖維的腦監(jiān)測。ACS中央科學。4：1751-60。doi-org.gate2.inist.fr/10.1021/acscentsci.8b00797

最近一篇關于使用微電極生物傳感器監(jiān)測動物創(chuàng)傷性腦損傷的論文：BalançaB，Meiller A，Bezin L，Dreier J，Lieutaud T和Marinesco S(2017)改變了大鼠創(chuàng)傷性腦損傷后皮質(zhì)擴散去極化的代謝亢進反應。J Cereb Blood Flow Metab。37(5)：1670年至1686年。doi.org/10.1177/0271678X16657571

最近對該主題的評論：Chatard C，Meiller A和Marinesco S(2018)微電極生物傳感器，用于腦間質(zhì)液的體內(nèi)分析。電分析30：977-998。doi.org/10.1002/elan.201700836

關于StéphaneMarinesco

StéphaneMarinesco曾在法國高等理工學院接受過工程專業(yè)的培訓，并在里昂大學獲得神經(jīng)科學博士學位，從事大鼠腦內(nèi)5-羥色胺檢測，并研究其在睡眠和壓力中的作用。

Marinesco博士接受耶魯大學和加州大學歐文分校的博士后研究員Pr Thomas J Carew的進一步培訓，使用電化學技術研究海洋軟體動物中的血清素神經(jīng)調(diào)節(jié)。Marinesco博士于2005年回到法國，擔任Gif sur Yvette的CNRS助理教授，并于2008年在里昂擔任副教授。

StéphaneMarinesco目前的研究興趣集中在開發(fā)用于腦監(jiān)測的創(chuàng)新微電極生物傳感器，并將其應用于蛛網(wǎng)膜下腔出血或創(chuàng)傷性腦損傷后神經(jīng)損傷的研究。他的團隊位于里昂神經(jīng)科學研究中心。

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