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BEBC研究人员应用扫描电化学显微镜原位定量表征热学微环境下神经元的代谢活性和氧化还原状态

2022-11-17 20:42:26      点击:

随着全球气候变暖,高温不可避免地威胁人类生产生活和身体健康。中枢神经系统对热敏感,如长时间处于高热环境,中枢温度升高易发生神经系统损伤,甚至危及生命。神经元代谢活动的动态变化对大脑的可塑性和认知功能具有重要作用。在高温条件下,细胞的氧化-抗氧化平衡的改变影响神经元的生理过程,进一步加重细胞的氧化损伤。但以往由于缺乏可原位、无损、同时表征神经元多参数的方法,难以同时捕捉神经元的代谢和氧化还原状态相关多参数的动态变化。


西安交通大学仿生工程与生物力学研究所(BEBC)的研究人员通过具有温度控制功能和可编程脉冲电位模式的扫描电化学显微镜(scanning electrochemical microscopy, SECM)技术,实现了对人体体温范围内(37-42℃)热学微环境下神经元的氧气消耗、胞外释放的H2O2水平和细胞膜通透性的原位电化学成像。实验结果证实当温度高于39℃时神经元的胞外H2O2水平和细胞膜通透性增加,41-42℃下神经元的呼吸活性下降,表明高温使神经元的代谢活性和氧化还原状态受到干扰。依达拉奉(EDA,一种临床常用脑保护剂和自由基清除剂)可减少高温下(40-42 ℃)神经元产生的氧化损伤,部分缓解细胞产生的过量ROS,对神经元具有一定保护作用,同时高温下细胞内的Ca2+超载也是神经元损伤不可忽视的因素。该工作首次利用SECM实现了热诱导下神经元氧化状态和氧化损伤的原位和定量表征,有助于理解热相关神经元的早期影响和损伤机制,为临床缓解热相关疾病提供神经元的原位表征数据参考。


图1. 应用SECM原位表征37-42℃下神经元的耗氧量、细胞外H2O2水平和膜通透性及EDA对神经元保护效果


该成果以In situ and quantitatively imaging of heat-induced oxidative state and oxidative damage of living neurons using scanning electrochemical microscopy”为题发表在期刊Small Methods上。BEBC博士生张俊杰为文章第一作者,李菲教授为文章通讯作者,其他作者还包括BEBC博士生刘禹霖、李亚北、朱彤、邱锦斌。该工作也得到BEBC徐峰教授和西安交通大学第一附属医院神经外科张华教授的大力协助、美国哈佛仪器公司Frank Wang博士在SECM技术方面的帮助以及国家自然科学基金、陕西省杰出青年科学基金项目、西安交通大学创新团队等项目的支持。


BEBC基于“临床问题(BED)- 实验室研究(BENCH)- 临床应用(BED)”的研究策略,将力学、化学、物理学与工程学、生物医学等领域交叉融合,系统开展细胞微环境的基础和应用研究。BEBC李菲教授课题组基于“生命科学基础问题-电化学扫描探针显微镜平台研制-单细胞原位电化学成像与表征”的学术思路,立足于电分析化学方法与技术,结合组织工程学、生物力学和医学等学科,开展疾病相关细胞物理微环境对细胞生化等行为的原位电化学成像和细胞界面过程动力学研究,从细胞层次探究细胞微环境与病理学的关系。


文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smtd.202200689