2023年6月2日，清华大学精密仪器系、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院孔令杰课题组与清华大学生命学院、北京大学生命学院合作者在Science Advances以长文的形式在线发表了题为“Plug-and-play fibre-optic sensors based on engineered cells for neurochemical monitoring at high specificity in freely moving animals”的研究论文。该研究通过设计一种基于工程细胞的即插即用型光纤探针(FOPECs)，实现了自由活动、非转基因动物体内神经化学物质的实时、高特异性检测。其优势是不受限于动物物种，可实现即时、高特异性检测；除可应用于神经系统，也可应用于血液循环系统，监测神经递质或调质的动态浓度。

神经化学物质（包括神经递质和神经调质）作为内源性化学物质，不仅影响睡眠、运动、认知等正常生理功能的调节，还与多种疾病息息相关，比如帕金森、阿尔茨海默症、癫痫、抑郁等。因此，发展具有高灵敏度、高特异性的神经化学物质在体检测技术，对于揭示脑认知机理、诊断脑疾病和开发新药物等至关重要。然而，传统的检测方法，如微透析、电化学等，难以实现在体实时、高特异性、高灵敏度监测。近年来，基于基因编码的荧光探针，如基于G蛋白偶联受体激活(GRAB)的探针，已被成功应用于在体神经化学物质动态过程的监测。但是，GRAB探针的表达通常需要通过病毒感染或培养转基因动物实现，这不仅导致长实验周期，而且对于不同的动物物种还需要摸索高效的病毒感染策略。

针对上述难题，本文提出了一种基于工程细胞的即插即用型光纤探针(FOPECs)，实现了自由活动动物体内神经化学物质的实时、高特异性检测。FOPECs利用离体培养的、表达GRAB探针的HEK293细胞系作为传感细胞，其自然进化获得的神经递质受体确保了高化学特异性。此外，FOPECs通过将工程细胞培养于光纤端面，从而无需预先在动物体中表达GRAB探针，使该方法不依赖于动物物种，文中成功展示了其在小鼠、大鼠、家兔、鸡等脊椎动物中的应用。FOPECs不仅可用于各种生理和病理条件下脑内神经化学物质的动态监测，还可以实现血液循环系统中药物代谢实时监测。

作为即插即用型探针，FOPECs一旦植入动物体内就能进行传感，无需复杂、耗时的转染病毒或培育转基因动物等程序。具体来说，将表达GRAB荧光探针的工程细胞嵌入生物相容性水凝胶（Matrigel）中，并将细胞-水凝胶混合液注入光纤前端毛细管凹槽中固化，从而制备光纤探头（图1）。将FOPECs与光纤传感系统结合，本文展示了小鼠及大鼠脑中去甲肾上腺素（NE）、多巴胺（DA）和三磷酸腺苷（ATP）在生理及病理条件下的动态浓度，验证了FOPECs的在体传感性能。此外，本文还展示了FOPECs在实时监测血液循环系统（如家兔静脉血管）中药物诱导DA浓度的动态，实现了在体血液循环系统中神经化学物质的原位、实时监测。

综上，FOPECs可普适于多种动物物种和多种体内器官的神经化学物质传感，可广泛应用于神经科学、疾病监测和药物代谢等研究。

图1. FOPECs传感原理图

清华大学精密仪器系博士生周冰倩、科研助理范奎奎及北京航空航天大学郭晶晶为本文共同第一作者。清华大学精密仪器系副教授、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院研究员孔令杰为该文通信作者。清华大学生命科学学院教授、清华-IDG/麦戈文脑科学研究院研究员时松海，北京大学生命科学学院教授、北大-IDG/麦戈文脑科学研究院研究员李毓龙，清华大学精密仪器系杨昌喜教授，北京大学生命学院冯杰思博士为本项研究做出了重要贡献。本研究受到国家自然科学基金创新群体项目（32021002）等资助。