Cell Chem. Biol.：新突破！中国团队造出“纳米尺子”，首次实时捕捉大脑神经递质战场动态

基于以上问题，近日，来自华东师范大学的田阳教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Chemical Biology上发表了一篇题为“Electrochemical sensor toolkit for simultaneous glutamate detection at edge of cleft and peri-soma”的重磅研究，团队通过整合生物工程化的谷氨酸受体（GluR）与化学设计的二茂铁基团，开发了具有纳米级空间分辨率的电化学传感器工具包eGluSn，实现了突触间隙边缘与胞周区域谷氨酸动态的同步实时监测。

研究团队通过多维度工程化策略构建传感器阵列。首先采用金涂覆的60纳米尖端石英纳米电极作为基底，结合炔基-氮川三乙酸（yne-NTA）与甲基蓝修饰电极表面，实现蛋白固定与内参信号校正。针对不同检测场景设计了三类传感器：eGluSn1通过转肽酶介导的LPETG标签实现GluR与二茂铁标记物（GFc）偶联；eGluSn2引入含有PEG12连接臂的GPFc标记物，通过模拟配体锁闭构象提高灵敏度；eGluSn3创新性采用SNAP标签替换LPETG系统，将二茂铁基团（BPFc）通过苄基嘌呤-PEG12连接臂锚定在GluR上。通过表面等离子体共振、基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF）等技术验证了融合蛋白修饰密度达4.8-5.3 pmol/cm²，且电极修饰过程通过接触角测试和X射线光电子能谱（XPS）全程跟踪。这种生物-化学协同设计策略突破了传统电化学传感器空间分辨率受限的瓶颈。

在灵敏度提升方面，通过构象调控实现数量级突破。eGluSn3采用SNAP标签系统使二茂铁基团与GluR结合口袋的距离优化，灵敏度达到142.70 μA mM⁻¹ cm⁻²，较基础版本提升32倍。动态范围扩展通过分子动力学模拟指导的定点突变完成：对GluR结合口袋关键残基Ser68进行突变筛选，获得V11（Kd=779μM）、V16（Kd=197μM）、V20（Kd=12μM）三种变体，线性检测范围分别拓展至0.75-6 mM、0.2-1.4 mM和10-180 μM，覆盖神经元不同微区谷氨酸浓度差异。响应动力学优化则通过调控连接肽的柔性实现，将α螺旋与无规卷曲比例调整后，传感器开关时间从70/125 ms提升至35/40 ms，满足突触传递的毫秒级动态监测需求。实验验证显示，优化后的传感器在400次循环检测后仍保持93.4%的初始响应，且对多巴胺、GABA等神经递质的选择性系数超过1000倍。

在脑片模型中，eGluSn系统揭示了不同病理条件下谷氨酸释放通路的差异性：氧糖剥夺模型中，初期4.5分钟突触囊泡释放贡献Glu上升，但主要升高源于SLC7A11（xCT）通道介导的非囊泡释放；而在Aβ42寡聚体刺激模型中，早期突触囊泡释放增加与持续性的谷氨酸回收障碍共同导致胞周Glu累积，同时半通道（hemichannel）介导的释放途径被激活。这些发现通过双位点同步监测获得：采用V16突变体（0.2-1.4 mM）监测突触间隙边缘，V20突变体（10-180 μM）检测胞周区域。实验数据显示，xCT抑制剂erastin可使氧糖剥夺模型的Glu峰值降低72%，而半通道抑制剂carbenoxolone则使Aβ42模型的Glu积累减少58%，证实了不同病理条件下谷氨酸外排机制的异质性。这些发现为阿尔茨海默病和脑缺血的靶向治疗提供了新的分子机制依据。

综上，该研究通过多层次工程化策略，解决了现有传感器在空间分辨率、检测范围和响应速度方面的技术瓶颈，建立了首个能同步解析突触微区与胞周谷氨酸动态的技术平台。未来可拓展应用于帕金森病、癫痫等神经疾病的机制研究，并为精准神经调控提供实时监测工具。

这项突破不仅为谷氨酸研究提供了超级工具，更开创了蛋白质-电化学协同传感的新范式。通过替换不同神经递质受体，该平台可扩展至多巴胺、GABA等重要递质的检测。结合近年兴起的神经调控技术，或将实现"检测-干预"一体化的闭环诊疗系统。随着探针微型化与无线传输技术的发展，我们正站在解密大脑化学密码的历史性门槛上。