隨着全球氣候變暖，高溫不可避免地威脅人類生產生活和身體健康。中樞神經系統對熱敏感，如長時間處於高熱環境，中樞溫度升高易發生神經系統損傷，甚至危及生命。神經元代謝活動的動態變化對大腦的可塑性和認知功能具有重要作用。在高溫條件下，細胞的氧化-抗氧化平衡的改變影響神經元的生理過程，進一步加重細胞的氧化損傷。但以往由於缺乏可原位、無損、同時表徵神經元多參數的方法，難以同時捕捉神經元的代謝和氧化還原狀態相關多參數的動態變化。
西安交通大學仿生工程與生物力學研究所（BEBC）的研究人員通過具有溫度控制功能和可編程脈衝電位模式的掃描電化學顯微鏡（scanning electrochemical microscopy, SECM）技術，實現了對人體體溫範圍內（37-42℃）熱學微環境下神經元的氧氣消耗、胞外釋放的H2O2水平和細胞膜通透性的原位電化學成像。實驗結果證實當溫度高於39℃時神經元的胞外H2O2水平和細胞膜通透性增加，41-42℃下神經元的呼吸活性下降，表明高溫使神經元的代謝活性和氧化還原狀態受到干擾。依達拉奉（EDA，一種臨床常用腦保護劑和自由基清除劑）可減少高溫下（40-42 ℃）神經元產生的氧化損傷，部分緩解細胞產生的過量ROS，對神經元具有一定保護作用，同時高溫下細胞內的Ca2+超載也是神經元損傷不可忽視的因素。該工作首次利用SECM實現了熱誘導下神經元氧化狀態和氧化損傷的原位和定量表徵，有助於理解熱相關神經元的早期影響和損傷機制，為臨床緩解熱相關疾病提供神經元的原位表徵數據參考。
圖1. 應用SECM原位表徵37-42℃下神經元的耗氧量、細胞外H2O2水平和膜通透性及EDA對神經元保護效果
該成果以「In situ and quantitatively imaging of heat-induced oxidative state and oxidative damage of living neurons using scanning electrochemical microscopy」為題發表在期刊Small Methods上。BEBC博士生張俊傑為文章第一作者，李菲教授為文章通訊作者，其他作者還包括BEBC博士生劉禹霖、李亞北、朱彤、邱錦斌。該工作也得到BEBC徐峰教授和西安交通大學第一附屬醫院神經外科張華教授的大力協助、美國哈佛儀器公司Frank Wang博士在SECM技術方面的幫助以及國家自然科學基金、陝西省傑出青年科學基金項目、西安交通大學創新團隊等項目的支持。
BEBC基於「臨床問題（BED）- 實驗室研究（BENCH）- 臨床應用（BED）」的研究策略，將力學、化學、物理學與工程學、生物醫學等領域交叉融合，系統開展細胞微環境的基礎和應用研究。BEBC李菲教授課題組基於「生命科學基礎問題-電化學掃描探針顯微鏡平台研製-單細胞原位電化學成像與表徵」的學術思路，立足於電分析化學方法與技術，結合組織工程學、生物力學和醫學等學科，開展疾病相關細胞物理微環境對細胞生化等行為的原位電化學成像和細胞界面過程動力學研究，從細胞層次探究細胞微環境與病理學的關係。
文章鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smtd.202200689
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