田阳&何晓&张立敏JACS：MOFs基微电极监测鼠脑内多巴胺！

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研究内容

神经递质是维持大脑活动和功能稳态的重要分子，其在大脑中的相对和基础水平与特定疾病状态直接相关。作为儿茶酚胺类神经递质中的星形分子，多巴胺（DA）已被证明在各种生理事件中发挥重要作用，包括调节动作、情绪、动机和认知。DA水平异常与中风、帕金森病（PD）和阿尔茨海默病等几种神经系统疾病密切相关。阐明脑内DA分子机制的迫切需求为开发体内DA检测的有效方法提供了强大动力。

华东师范大学田阳教授、何晓教授和张立敏教授展示了一种通过共轭分子线调节导电金属有机框架（MOF）表面的策略，选择性和灵敏地测定活体大脑中的多巴胺（DA）。结果表明，该微传感器在0.004−0.4 μM范围内对DA的实时跟踪表现出高选择性，检测限为1 nM。最后，微电极被应用于帕金森病（PD）模型小鼠脑内DA的体内监测。相关工作以“Conductive Metal-Organic Framework Microelectrodes Regulated by Conjugated Molecular Wires for Monitoring of Dopamine in the Mouse Brain”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

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研究要点

要点1.首先，导电MOF被修饰在由Au纳米叶作为换能器沉积的碳纤维电极上。一方面，导电MOF纳米材料Ni3HHTP2为电极表面的神经化学物质的电子转移提供丰富的电催化位点，从而大大提高了神经化学物质检测的灵敏度。同时，具有永久多孔纳米结构和带负电荷特征的大表面积使Ni3HHTP2成为提高带正电荷神经化学物质反应效率的良好基质，从而改善了电流响应。

要点2.设计和合成了两种分子长度不同的共轭分子线，（4-（噻吩-3-基乙炔基）苯甲醛（RP1）和4-（（4-（苯噻吩-3-基乙烯基）苯基）-乙炔基）苯甲醛（RP2）以及一种没有共轭结构的十七烷基-1-硫醇（FP）分子调节MOF组装。其中，RP1作为组装基础桥具有有效的隧穿能力，可调节MOF基电极上的电化学过程，特别是降低DA氧化的反应吉布斯自由能，从而选择性地促进DA从MOF层向电极表面的非均匀电子转移。

要点3.DA氧化的特定电催化活性增加了DA的电子转移速率并提高了DA的氧化电流密度，从而提高了检测灵敏度。该微传感器在0.004−0.4 μM范围内对DA的实时跟踪表现出高选择性，检测限为1nM。最终，该功能化电极成功应用于帕金森病（PD）模型小鼠脑内DA的体内监测。结果表明，急性和亚急性PD模型中DA水平均明显降低。此外，DA的水平强烈依赖于尿酸（UA）的量，尿酸是一种生理抗氧化剂，当UA的量低于200 mg kg−1时，尿酸会升高，但在接受更高量的UA治疗后，尿酸再次下调。

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研究图文

图1.（A）Ni3HHTP2组装到分子线上，分子线修饰在Au纳米叶装饰的碳纤维电极上。（B）Ni3HHTP2的SEM和（C）Ni3HHTP1的EDX。（D）Ni3HHTP2的pXRD。Au/RP1/Ni3HHTP2上Au（E）和Ni（F）的SEM元素。（G）在Au/RP1/Ni3HHTP2处由Ni3HHTP2修饰的放大的Au纳米叶的SEM。

图2. 在无（A）和有（B）10 μM DA的aCSF溶液（pH 7.4）中，（A）Au/Ni3HHTP2、（B）Au/RP1/Ni3HHTP2和（C）Au/RP2/Ni3HHTTPP2的CV曲线。（D）在无（a）和有（b）100 μM DA的aCSF溶液（pH 7.4）中，Au/FP/Ni3HHTP2的CV曲线。扫描速率为50 mV s-1。

图3. （A）Au/Ni3HHTP2和（B）Au/RP1/Ni3HHTP2在aCSF溶液（pH 7.4）中，无（虚线）和有（实线）（A）10 μM EP、（B）10 μM NE、（c）10 μM UA、（d）10 μM 5-HT和（e）100 μM AA情况下的CV。扫描速率为50 mV s-1。（C）在没有（a）和有（b）RP1的情况下，Ni3HHTP2表面DA氧化所涉及的反应步骤的ΔGRs。能量单位为eV。（D）有（b）和无（a）RP1的MOF表面之间神经化学物质ΔGRs的变化。（E）（a）Au/Ni3HHTP2和（b）Au/RP1/Ni3HHTP2处神经化学物质的k0值。

图4.（A）在aCSF（pH 7.4）中，Au/RP1/Ni3HHTP2对不同DA浓度（0至0.7 μM）的DPV。（B）Jp值与DA浓度的关系图。（C）DA（50 nM）的选择性测试（AA为100 μM，ATP为10 nM，葡萄糖为500 μM，其他物为10 μM）。（D）在含有0.01和0.1 μM DA的aCSF溶液中连续测定Au/RP1/Ni3HHTP2的Jp变化。误差条表示标准偏差（n=3，S.D.）。

图5.（A）在小鼠大脑中植入微电极的图像。（B）正常脑和急性PD脑纹状体中Au/RP1/Ni3HHTP2处获得的DPV。（C）MPTP治疗后急性PD模型中不同脑区DA的时间依赖性变化。（D）急性PD模型中不同脑区DA的变化。（E）正常和急性PD小鼠黑质TH的免疫组织化学染色。（F）TH阳性神经元的量化。（G）MPTP治疗后亚急性PD模型中不同脑区DA含量的时间依赖性变化。（H）亚急性PD模型中不同脑区DA的变化。（I）正常和亚急性PD小鼠黑质TH的免疫组织化学染色。（J）TH阳性神经元的量化。误差条表示标准偏差（n=5，S.D.）。

图6.（A）腹腔注射药物和在小鼠大脑中植入微电极的图像。（B）在急性PD模型中，通过非注射（a）和预注射分别为0 mg kg−1（B）、100 mg kg−2（c1）、200 mg kg−3（c2）、300 mg kg−4（c3）和400 mg kg−5（c4）的MPTP和UA，小鼠纹状体DA量的时间依赖性变化。插图：放大图（B）。（C）注射生理盐水作为对照的小鼠纹状体中DA的变化。（D）第9天，不同组小鼠纹状体DA的变化。（E）TH阳性神经元的数量。误差条表示标准偏差（n=5，S.D.）。

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文献详情

Conductive Metal-Organic Framework Microelectrodes Regulated by Conjugated Molecular Wires for Monitoring of Dopamine in the Mouse Brain

Yue Wang, Yinjie Qian, Limin Zhang,* Zhihui Zhang, Shiwei Chen, Jinfeng Liu, Xiao He,* Yang Tian*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: 10.1021/jacs.2c07053