本期特邀分享一篇發(fā)表在Biosensors and Bioelectronics（DOI：10.1016/j.bios.2024.116664）的文章。文章標(biāo)題為Intraoperative assessment of microimplantation-induced acute brain inflammation with titanium oxynitride-based plasmonic biosensor，該工作提出了一種基于鈦的氧氮化物（TiNO）納米薄膜的表面等離子共振（SPR）生物傳感器，用于實時評估微電極植入過程中腦部的急性炎癥反應(yīng)。來自上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院、醫(yī)療機器人研究院的博士后劉林林為第一作者；上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院、醫(yī)療機器人研究院的楊廣中教授、邱廣宇副教授為共同通訊作者。

—思路來源—近年來，隨著腦機接口和治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病的植入設(shè)備快速發(fā)展，其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。然而，這些功能性植入物為患者帶來顯著益處的同時，也帶來了組織創(chuàng)傷和長期生物相容性及安全性的問題。其中，微植入物引起的術(shù)中腦部急性炎癥反應(yīng)是一個普遍存在的問題。這種炎癥反應(yīng)可同時影響植入物的功能和患者的術(shù)后恢復(fù)程度。然而，目前針對該問題的相關(guān)研究仍然不足。因此，開發(fā)一種快速檢測局部組織炎癥反應(yīng)的技術(shù)對該術(shù)中腦部炎癥反應(yīng)進行動態(tài)監(jiān)測顯得尤為重要。理想的術(shù)中腦部急性炎癥監(jiān)測是對炎癥標(biāo)志物的分泌情況等指標(biāo)進行長時間連續(xù)的量化分析，而目前針對生物標(biāo)志物分子的檢測技術(shù)如酶聯(lián)免疫吸附（ELISA）等技術(shù)普遍的測試時間為若干小時，難以實現(xiàn)有效的術(shù)中監(jiān)測，因此，本項目通過開發(fā)一種靈敏度高、檢測時間較短的免標(biāo)記TiNO-SPR生物傳感器，可實現(xiàn)準(zhǔn)實時的微植入物的術(shù)中炎癥反應(yīng)監(jiān)測。—創(chuàng)新點—1）開發(fā)了一種靈敏度高、檢測時間較短且魯棒性高的TiNO-SPR生物傳感器，用于監(jiān)測術(shù)中炎癥因子水平；2）通過術(shù)中腦脊液采樣和炎癥因子白介素-6（IL-6）檢測，描繪了微電極植入術(shù)中腦部急性炎癥反應(yīng)變化過程；3）術(shù)中腦部急性炎癥動態(tài)監(jiān)測可用于評估微植入手術(shù)以及微植入物的生物安全性。

主要工作

1）基于TiNO納米薄膜的生物傳感器

圖1.TiNO-SPR生物傳感器用于微植入物術(shù)中炎癥檢測

本工作通過磁控濺射技術(shù)在玻璃基底上制備出TiNO-SPR薄膜。該薄膜具有良好的平滑度和均一性。其厚度為23.5 nm，SPR的響應(yīng)波長為623.3 nm，處于可見光范圍內(nèi)。此外，所制備的TiNO納米薄膜的表面出現(xiàn)氧化物的富集。本研究利用了這種表面氧化物富集的現(xiàn)象，通過硅烷偶聯(lián)劑（APTES）實現(xiàn)了穩(wěn)定的生物分子表面功能化修飾，有利于高靈敏的特異性生物分子檢測。

圖2.TiNO-SPR生物傳感器及其表面抗體修飾

2）傳感器性能測試通過硅烷化表面修飾方法，IL-6抗體被穩(wěn)定地固定在TiNO表面。通過IL-6標(biāo)準(zhǔn)樣品的檢測表征TINO納米薄膜的傳感性能，結(jié)果顯示該傳感器可以實現(xiàn)對IL-6的快速靈敏檢測，檢測限低至6.3 fg/ml，且檢測時間僅需25分鐘。同時，在復(fù)雜環(huán)境如人工腦脊液中對IL-6的特異性檢測結(jié)果展示了其良好的選擇性。無標(biāo)記的TiNO-SPR生物傳感器同時具備高靈敏度、高特異性和較短的檢測時間，因此在監(jiān)測微電極植入術(shù)中炎癥方面具有巨大應(yīng)用潛力。

圖3.TiNO-SPR傳感器對炎癥因子IL-6的檢測性能

3）小鼠模型的微電極植入術(shù)中腦部炎癥監(jiān)測由于植入操作和植入物引起的組織應(yīng)力、組織損傷以及出血等癥狀都可引發(fā)植入物附近的炎癥反應(yīng)。該炎癥反應(yīng)導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的神經(jīng)元損失，膠質(zhì)細胞的損傷，以及膠質(zhì)瘢痕的形成，進而影響患者神經(jīng)功能以及微植入物功能的發(fā)揮。

通過術(shù)中對急性炎癥水平的監(jiān)測，可及時調(diào)整手術(shù)操作，從而有望減少患者安全風(fēng)險并且提高手術(shù)效果。本工作使用TiNO-SPR傳感器對小鼠模型的微電極植入過程中的腦脊液IL-6水平進行了動態(tài)監(jiān)測。結(jié)果顯示，手術(shù)中開顱操作能夠引起手術(shù)部位炎癥水平的急劇升高。該炎癥反應(yīng)在快速到達峰值后會自然下降，并在約2小時候回歸到較低水平。相比之下，植入手術(shù)動作造成的炎癥反應(yīng)較小。然而，植入的微電極可造成持續(xù)性的一定程度的炎癥反應(yīng)。而當(dāng)植入部位出現(xiàn)嚴(yán)重出血情況時，檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)局部的炎癥急劇升高并伴有較大波動。本工作通過炎癥因子IL-6的檢測描繪了腦部微電極植入術(shù)中植入部位的炎癥反應(yīng)動態(tài)變化，有助于為手術(shù)操作提供及時的炎癥信息反饋，便于醫(yī)生及時調(diào)整手術(shù)策略。

圖4.微植入物術(shù)中腦部炎癥檢測

總結(jié)與展望

本工作通過開發(fā)一種新型的TiNO-SPR生物傳感器，可對在手術(shù)過程中由微植入手術(shù)操作和微植入物引起的腦部急性炎癥反應(yīng)進行實時監(jiān)測和手術(shù)風(fēng)險評估。此外，TiNO-SPR生物傳感器還能在植入微電極后持續(xù)監(jiān)測腦部炎癥反應(yīng)，從而使其成為快速評估神經(jīng)電極有效性的潛在可行方法。腦部炎癥的動態(tài)監(jiān)測可為手術(shù)操作提供及時的炎癥信息反饋，便于醫(yī)生及時調(diào)整手術(shù)策略。這不僅有助于提高植入手術(shù)的安全性和有效性，還可為未來腦機接口技術(shù)的優(yōu)化和個性化治療提供科學(xué)依據(jù)。