近日，我院田中群院士团队/胡可可副教授课题组在多通道纳米电极开发与单细胞内空间分辨电化学测量研究中取得重要进展，相关研究成果以“Individually addressable multichannel nanoelectrodes reveal spatially resolved functional heterogeneity of vesicles in single cells”为题，在线发表于Chemical Science（DOI:10.1039/D6SC01178K）。
纳米电极因其纳米尺度的空间分辨能力，已成为研究单细胞及复杂界面化学过程的重要工具。传统单通道纳米电极（如纳米管电极、纳米线电极、纳米孔电极等）已实现对细胞内信号分子、活性物质及代谢物的高特异性检测，并广泛应用于扫描电化学显微镜等技术中，用于解析界面反应与催化过程。然而，现有纳米电极技术通常局限于单点检测或逐点扫描，难以实现对空间异质化学过程的同步、多位点分析。
在神经内分泌系统和神经系统中，化学信号的传递依赖于纳米尺度囊泡内信号分子的受控释放过程。此类囊泡在细胞内呈现明显的空间分布特征，例如在细胞膜附近富集，而在细胞内部相对稀疏。这种空间组织特征被认为与分泌效率及信号调控密切相关。尽管电子显微镜、光学成像及电生理等方法已对囊泡的分布和融合过程进行了大量研究，但这些方法普遍缺乏直接的化学特异性，难以同时关联囊泡的位置、分子含量及释放动力学。近年来发展的单囊泡电化学分析技术虽可实现单囊泡分子含量与释放过程的定量分析，但仍依赖单通道纳米电极，无法解析活细胞内囊泡在空间上的异质性。因此，如何在保持纳米尺度空间分辨的同时，实现多位点同步、化学特异性的测量，成为该领域亟待解决的关键问题。
针对以上问题，研究团队开发了一种可独立寻址的多通道纳米电极（MANEs）平台，在保持纳米尺度空间分辨能力的同时，实现了同步、独立的电化学记录。将该平台应用于单个神经内分泌细胞，中空结构的多通道纳米电极可实现对细胞内的低扰动插入，并开展亚细胞尺度的并行测量。结果显示，膜附近囊泡的密度约为近核区域的20倍，同时其释放速度更快但单囊泡所含分子数更少，表明这些囊泡专门用于快速信号传递；相比之下，近核囊泡则作为高容量储备库，支持持续性分泌。上述结果在亚细胞尺度上建立了囊泡空间组织与分泌效率之间的直接机制联系，为理解神经元及神经内分泌系统中化学信号传递机制提供了重要依据。
此外，可调控的中空与填充结构进一步拓展了平台的适用范围，使其不仅适用于受限的细胞内环境，也可扩展至开放界面体系，为空间分辨电化学分析提供了通用方法框架。
该论文在我院胡可可副教授指导下完成，法国国家科学研究中心Alexander Oleinick研究员提供了电化学模拟支持。2022级硕士生徐楚楚和智能仪器与装备学科2022级博士生刘若麟为论文共同第一作者。田中群院士与Christian Amatore院士对本研究提出了宝贵指导意见。研究工作得到国家自然科学基金（22574135、22204133）和福建省自然科学基金优秀青年项目（2024J09007）的支持。
文章链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41971236/
