Nat. Photonics: 无线植入式脑组织氧含量监测技术

大脑是对氧气最敏感的器官，脑组织中的氧含量直接影响大脑的代谢功能和功能完整性，并与颅内创伤、癫痫、肿瘤等脑疾病状态密切相关。如何实时、准确、便捷、原位地监测脑组织氧分压，并解析其与神经活动的相互作用关系，是脑科学基础研究和脑疾病临床诊疗中的关键问题。

近日，清华大学、北京理工大学和首都医科大学宣武医院等单位的研究人员合作，共同开发了一种植入式微型光电探针系统，可在自由活动的动物深层脑组织中无线、连续、实时监测脑组织氧分压，并揭示了癫痫状态下动物脑内神经活动与局部氧代谢的耦合规律。

图1. 植入脑组织中用于氧分压监测的光学探针的工作示意图，通过转移集成的方法在柔性聚酰亚胺基底上实现了薄膜micro LED、光探测器和氧敏磷光涂层的一体化集成。

本工作基于“激发–传感–响应–无线传输”的光学传感机制，开发了微型薄膜式发光二极管（micro LED）、光电探测器和氧气敏感的磷光涂层，并在柔性衬底上实现了异质集成的微型植入式光电探针。通过氧气分子对铂系金属配合物的磷光猝灭作用，实现对氧分压变化的动态传感记录。柔性化、微型化和集成化的植入式光学探针解决了传统商用器件和光学设计的体积大、硬质和生物相容性差等问题，实现了可直接植入生物组织内部进行原位激发和传感记录的功能。此外，研究团队开发了基于蓝牙远程控制和磁共振电能传输的柔性化微系统软硬件，实现了在体内环境中对植入式氧传感光学探针的传感驱动。该新型全植入式传感系统的研制，突破了无法记录深脑组织氧变化的技术瓶颈，为研究生物机体在特定病理状态下氧含量的全面评估提供支持。

图2. 无线植入式组织氧传感的系统设计：（a）电路框架图；（b）实物图；（c）不同氧含量状态下探针磷光强度的对比。

通过微创手术将传感探针植入动物脑内，控制系统则埋入皮下，使得传感微系统能够长时间的稳定运转，同时解决了束缚动物活动范围的问题。在改变吸入氧气浓度、颈动脉结扎、麻醉等不同情况下，该系统实现了对动物深部脑区氧分压的无线动态监测，验证了脑组织氧分压的变化规律。

图3.（a）采用线圈设计的磁共振无线供电方式，驱动全植入小鼠脑内的传感电路系统，（b）记录在不同氧含量环境中动物脑组织氧分压的变化过程。

大脑的神经活动伴随着脑组织氧分压的变化，而癫痫发作会引起大脑组织中生理信息的剧烈变化。在电刺激小鼠海马脑区诱导癫痫的模型中，成果记录了癫痫放电之后海马、皮层等不同脑区显著的乏氧状态。通过与电生理记录结合，同步监测了癫痫过程中的神经电活动与局部组织氧分压变化，探索了氧气在脑神经异常活动过程中的作用与机理，以及局部神经活动与氧代谢的耦合规律。这种无线、实时、原位的动态脑组织氧分压监测技术，精准、原位脑组织氧分压的监测方法，为深入探索氧代谢过程、神经活动及脑疾病状态之间的关系提供了一种有效的工具。

图4. 无线氧分压检测系统在小鼠癫痫放电状态下检测海马区的氧含量动态变化。

该研究成果近日发表于Nature Photonics，题为《一种用于监测深层脑组织氧含量的无线光电探针》（A Wireless Optoelectronic Probe to Monitor Tissue Oxygenation in Deep Brain Tissue）。该论文的共同通讯作者为盛兴（清华大学电子系，清华-IDG/麦戈文脑科学研究院）、丁贺（北京理工大学光电学院）和赵国光（首都医科大学宣武医院），共同第一作者包括清华大学电子系博士生蔡雪、北京理工大学光电学院硕士毕业生张海舰、首都医科大学宣武医院魏鹏虎副教授和博士生刘全磊。合作者来自清华大学电子系、材料学院、北京理工大学、首都医科大学宣武医院、中央民族大学等单位。该研究得到了北京市基金、国家自然科学基金、科技部、北京市科技新星等项目的支持。

论文信息：

https://www.nature.com/articles/s41566-023-01374-y

转自：“知社学术圈”微信公众号

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