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根据需要在体内产生气态信使分子

一氧化氮是体内重要的信号分子,在建立有助于学习和记忆的神经系统连接中发挥作用。它还在心血管和免疫系统中充当信使。

但是,研究人员很难准确地研究其在这些系统中的作用及其功能。因为它是气体,所以没有实际方法可以将其引导到特定的单个细胞中以观察其作用。现在,麻省理工学院和其他地方的科学家和工程师团队已经找到了一种在人体内部精确定位的位置产生气体的方法,从而有可能开启对该基本分子作用的新研究领域。

麻省理工学院教授Polina Anikeeva,Karthish Manthiram和Yoel Fink的一篇论文在《自然纳米技术》杂志上发表了这一发现。研究生Jimin Park;博士Kyoungsuk Jin; 以及麻省理工学院,台湾,日本和以色列的10个人。

“这是非常重要的化合物,”阿涅耶娃说。但是,要弄清楚一氧化氮向特定细胞的传递与突触之间的关系,以及由此产生的对学习过程的更高层次的影响,一直很困难。到目前为止,大多数研究都采取了全身作用的方法,即剔除负责人体产生信使素所需的一氧化氮生成酶的基因。

她说,但是这种方法“非常暴力。这是系统的锤子,因为您不仅要从某个特定区域(例如在大脑中)敲除它,而且实际上是从整个有机体中敲除它” ,这可能会有其他副作用。”

其他人尝试将化合物分解时释放出一氧化氮,这些化合物可以产生更多的局部效应,但这些效应仍会散布开来,这是一个非常缓慢且不受​​控制的过程。

该小组的解决方案使用电压来驱动产生一氧化氮的反应。这类似于在某些工业电化学生产过程中发生的大规模生产,这些过程相对模块化且可控制,可实现本地和按需化学合成。“我们已经采用了这个概念,并说,您知道吗?您可以通过电化学过程实现本地化和模块化,甚至可以在电池级进行此操作,” Manthiram说。“而且我认为,更令人兴奋的是,如果使用电势,您就有能力开始生产并停止生产。”

该团队的关键成就是找到一种在纳米级高效,选择性地进行此类电化学控制反应的方法。这就需要找到合适的催化剂材料,该材料可以从良性的前体材料中生成一氧化氮。他们发现亚硝酸盐为产生电化学一氧化氮提供了有希望的前体。

Jin说:“我们提出了制造定制的纳米颗粒以催化反应的想法。” 他们发现自然界中催化一氧化氮生成的酶含有铁硫中心。从这些酶中汲取灵感,他们设计了一种由硫化铁纳米颗粒组成的催化剂,该催化剂在电场和亚硝酸盐存在下可激活产生一氧化氮的反应。通过用铂进一步掺杂这些纳米粒子,该团队得以提高其电催化效率。

为了使电催化细胞小型化至生物细胞规模,研究小组创建了定制纤维,其中包含正负电极和微电极,该正电极和负电极涂有硫化铁纳米颗粒,以及微流体通道,用于输送亚硝酸钠(前体材料)。这些纤维植入大脑后,会将前体引导至特定的神经元。然后,该反应可以通过同一根光纤中的电极以电化学方式随意激活,从而在该点处立即产生一氧化氮爆发,从而可以实时记录其作用。

作为测试,他们在啮齿动物模型中使用该系统激活了一个大脑区域,该区域已知是动机和社交互动的奖励中心,并且在成瘾中发挥作用。他们表明,它确实引起了预期的信号反应,证明了其有效性。

Anikeeva说,“这将是一个非常有用的生物学研究平台,因为最终,人们将有一种方法来研究一氧化氮在执行任务的整个生物体中在单细胞水平上的作用。” 她指出,某些疾病与一氧化氮信号传导途径的破坏有关,因此,对该途径的运作方式进行更详细的研究可能有助于治疗。

帕克说,该方法可以推广为一种在生物体内产生其他具有生物学意义的分子的方法。“基本上,只要我们找到合适的催化剂,而且只要找到合适的起始化合物也是安全的,我们现在就可以拥有这种真正可扩展且微型化的方式来生成许多分子。” 他说,这种原位产生信号分子的方法在生物医学中可能具有广泛的应用。

Anikeeva说:“我们对此手稿的一位审阅者指出,这从未做过-从未利用过生物系统中的电解来控制生物功能。” “因此,这本质上是一个可能非常有用的领域的开端”,用于研究可以在精确的位置和时间递送的分子,用于神经生物学或任何其他生物学功能的研究。她说,这种在人体中按需制造分子的能力可能在免疫学或癌症研究等领域有用。

这个项目的开始是由于朴和金之间的一次偶然对话,他们是神经生物学和电化学领域不同领域的朋友。他们最初的非正式讨论最终导致多个部门之间的全面合作。但金说,但是在当今封闭的世界中,这种偶然的遭遇和对话的可能性越来越小。“在世界发生了多大变化的情况下,如果这是在我们彼此分离的时代,而不是在2018年,那么这种合作很有可能永远不会发生。”

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