近期，化學與分子工程學院院長田陽教授團隊在活體鼠腦的分析檢測研究領域取得重要進展。該團隊通過開展利用SERS微陣列和電生理技術的聯用對鼠腦缺血狀態下相關物質的研究，揭示了鼠腦缺血狀態下皮層相關物質的變化。研究結果以“A SERS Optophysiological Probe for the Real‐Time Mapping and Simultaneous Determination of the Carbonate Concentration and pHValue in a Live Mouse Brain”為題，2019年2月發表在 《Angewandte Chemie Internatinal Edition》。該工作由華東師范大學和北京大學合作完成，化學與分子工程學院博士生王維康為論文的第一作者，我校田陽教授是論文的唯一通訊作者。
團隊在腦活體化學信號高時空分辨的分析新方法新工具開發上取得系列前沿性進展
大腦是人體最復雜的器官，是神經系統最高級的部分，解析大腦的生理和病理過程具有非常重要的意義。大腦功能的實現依賴于神經元電信號和化學信號的傳遞。電生理技術作為一種成熟的研究手段常被用于大腦的研究工作中，解析神經元編碼機制及大腦傳遞的信息。電化學方法因其高時空分辨、原位、實時的特點，在活體研究中備受關注。
然而, 電生理技術只能獲取神經元交流的電信號，而電信號的產生主要取決于神經遞質和離子的化學信號的變化。因此，只有同時監測這些化學信號和電信號，才能更加充分了解大腦中的生理和病理過程。
田陽教授團隊一直致力于腦活體分析方法的研究，針對活體分析中選擇性、準確性、靈敏度、多物質同時分析、化學信號和電信號的同時等關鍵科學問題，發展了一系列高效的活性分析新方法，實現了腦研究中系列的突破性進展。
更“靠譜”的比率型活體電化學微傳感，解析神經退行性疾病的分子機制
早在2013年，田陽教授團隊就利用無銅超氧化物歧化酶（apo-SOD）對Cu2+的特異性結合，以二茂鐵作為內參比，率先提出了雙通道比率型的電化學分析策略。該方法可實時校正測定環境的差異所引起的測定誤差，顯著提升了活體電化學分析的準確度。(Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 8129-8133)
進而，他們合成了對銅離子具有特異性的分子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), 以亞甲基藍為參比分子(HS-DNA-MB)，構建了高選擇性的單通道比率型電化學傳感，成功實現了阿爾茲海默癥(AD)鼠腦中銅離子和半胱氨酸的雙檢測。通過檢測首次發現：相較于正常鼠，AD鼠腦中銅離子增加了約5倍，半胱氨酸減少了約3倍(Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 14053-14056；Anal. Chem., 2015, 87, 2931-2936)。
雙信號輸出的電化學傳感用于鼠腦疾病中多種物質的同時分析
鑒于銅離子和亞銅離子在氧化應激中的密切聯系，他們進一步設計并合成了系列N，N-雙(2-[2-（乙硫基）乙基] )衍生物用于亞銅離子的選擇性識別，系統探討了分子結構和電化學行為之間的關系。 同時，利用9,10-蒽醌作為pH的特異性識別元素，2,2'-聯氮-雙-3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸(ABTS)為內參比分子，率先提出了電流和電位雙信號輸出的比率型傳感模式，最終實現了鼠腦中不同腦區Cu+和pH的同時分析。實驗結果表明，AD鼠腦中Cu+含量是正常鼠的1.8倍，而pH變化不大。這一發現，為深入解析銅離子在氧化應激及神經退行性疾病中的分子機制，提供了可靠的方法(Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 16328-16332)。
最近，他們將這一分析策略進一步提升，設計并合成了雙響應比率型單分子探針Hemin-Fc。該分子中的Hemin基團可實現對O2和pH的雙響應，而Fc基團可作為內參比，提升測定準確性。最終，通過將Hemin-Fc修飾于碳納米管微電極上，構建了O2和pH同時分析的電化學傳感。田陽教授團隊首次采用二條插值法，報道了缺血時不同腦區以及腫瘤饑餓治療期間O2和pH的改變(Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 10471-10475)。由于方法的創新性及可靠性，上海交通大學附屬醫學院神經生物學家徐天樂團隊、復旦大學附屬中山醫院丁小強團隊正應用田陽教授團隊所發展的探針，研究腦神經的生理病理過程。
全新納米級“光生理”探針開辟活體分析新篇章
SERS因其高靈敏度、特異性以及高光譜分辨率的特點而被應用于活細胞及組織的物質檢測中(Sci. Adv. 2018, 4, eaau3494)。為了避免傳統電化學方法測量時施加的外部電信號，可能對腦生理過程產生擾動的關鍵問題，田陽教授團隊率先設計并開發了一系列從納米尺寸到微米尺寸的近紅外光激發的表面增強散射(SERS)的“光生理”探針，實現了活體鼠腦及神經元中CO32-和pH的同時分析(Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 10.1002/anie.201814286)。
新型“光生理探針”陣列，用于鼠腦及神經元中碳酸根和pH的同時SERS分析
研究人員制備了尖端尺寸為5 μm的SERS微米陣列，首次應用于活鼠腦皮層中的CO32-和pH的實時成像和同時定量測量。利用該SERS微陣列，研究人員發現當鼠腦發生缺氧時，鼠腦皮層中的CO32-和pH都顯著降低。因為SERS無需外加電場，所以可以將SERS方法與電生理方法進行聯用，從而獲得了不同狀態下鼠腦中的電信號和化學信號。SERS技術結合電生理學開辟了一種獲取腦中電信號和化學信號的新方法，這是極具開創意義的。
研究人員為了進一步了解單細胞水平的缺血機制，成功將尖端尺寸為200 nm的SERS納米探針應用于單個神經元中的測定。該工作不僅為生物傳感器的開發提供了一種新的方法，而且開辟了一種新的分析方法來理解化學物質在生理和病理過程中從大腦層面到細胞水平所扮演的角色。
田陽教授和團隊成員
系列研究論文集：
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
圖文｜呂安琪 來源｜化學與分子工程學院 編輯｜吳詩 編審｜郭文君
