[论文解读] Ex-vivo detection of neural events using THz BioMEMS

Abdennour Abbas, Thomas Dargent+3 more|PubMed|Nov 26, 2009

Terahertz technology and applications参考文献 2被引用 6

一句话总结

本研究通过太赫兹（THz）BioMEMS实现了对神经生物化学事件的实时、非侵入性体外检测。通过将水蛭中枢神经系统集成到带有共面波导的PDMS-玻璃微流体芯片中，研究者观察到在损伤后，由于一氧化氮合酶（NOS）活性导致太赫兹波传输（0.14–0.22 THz）出现可测量的下降，而该现象可被L-NAME可逆性抑制，证明了太赫兹光谱对神经化学动力学的高度敏感性。

ABSTRACT

It was demonstrated that THz spectroscopy can detect a biochemical event, such as NOS activity around an injured leech's nerve cord, in real time. Future studies will be dedicated to quantitative measurements of the reaction products using the sophisticated management of several drugs allowed with microfluidic microsystems.

研究动机与目标

• 开发一种非侵入性、实时检测体外神经组织生物化学事件的方法。
• 通过使用集成式BioMEMS，克服自由空间太赫兹光谱技术在水吸收和空间分辨率方面的局限性。
• 证明太赫兹波可用于监测神经损伤模型中一氧化氮合酶（NOS）活性的可行性。
• 通过使用L-NAME进行药理学抑制，验证所观察信号的特异性。
• 建立一个未来可用于微流体药物递送下反应产物定量分析的平台。

提出的方法

• 采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）密封在玻璃晶圆上，制造出用于生物样本集成的微通道，形成BioMEMS器件。
• 在玻璃基底上集成共面波导（CPWs），以引导和传输太赫兹波（0.14–0.22 THz）穿过样本。
• 使用矢量网络分析仪（VNA）测量在神经损伤和药物暴露期间，频率范围内传输系数（S21）的变化。
• 采用水蛭中枢神经系统作为体外生物模型，损伤可诱导NOS活化及一氧化氮（NO）生成。
• 将L-NAME（一种NOS抑制剂）注入微通道，以测试太赫兹信号变化的特异性。
• 将太赫兹波传输变化作为生化活性的代理指标，利用太赫兹波对分子和离子变化的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 太赫兹波能否检测到与体外神经损伤相关的实时生物化学变化？
• RQ2 太赫兹波通过微流体BioMEMS平台的传输是否对损伤神经组织中NOS的活化有响应？
• RQ3 是否能通过特异性NOS抑制剂（L-NAME）实现太赫兹信号变化的药理学逆转？
• RQ4 所观察到的太赫兹信号变化是否特异性地源于NOS活性，而非非生物因素？
• RQ5 该集成式BioMEMS-太赫兹平台能否作为可扩展的平台，用于定量神经化学监测？

主要发现

• 在水蛭神经索损伤后，观察到0.14–0.22 THz频段内太赫兹传输系数（S21）出现可测量的下降。
• 传输减少归因于损伤组织中NOS活性增加及随后的一氧化氮生成。
• 将L-NAME注入微通道后，传输变化被逆转，证实了信号对NOS活性的依赖性。
• PDMS-玻璃BioMEMS平台成功实现了太赫兹波的稳定传播和生物样本的集成。
• 该系统在受控的微流体环境中，实现了利用太赫兹光谱对神经化学事件的实时、非侵入性检测。
• 结果验证了集成式太赫兹BioMEMS在未来定量监测神经退行性疾病生物标志物方面的潜力。