根据需要在体内产生一种气体信使分子

一氧化氮是人体中一种重要的信号分子，在建立神经系统连接方面发挥作用，有助于学习和记忆。它还在心血管和免疫系统中充当信使。

但是研究人员很难确切地研究它在这些系统中的作用以及它是如何运作的。由于它是一种气体，还没有实际的方法将它引导到特定的单个细胞以观察其效果。现在，由麻省理工学院和其他地方的科学家和工程师组成的团队已经找到了一种在体内精确定位产生这种气体的方法，这可能为这种重要分子的影响的研究开辟了新的思路。

这些发现发表在今天的《自然纳米技术》杂志上，由麻省理工学院教授Polina Anikeeva, Karthish Manthiram和Yoel Fink撰写的一篇论文中;研究生朴纪民;博士后Kyoungsuk金;还有麻省理工学院、台湾、日本和以色列的10人。

“这是一种非常重要的化合物，”Anikeeva说。但要弄清楚一氧化氮传递到特定细胞和突触之间的关系，以及由此对学习过程产生的更高层次的影响，一直很困难。到目前为止，大多数研究都诉诸于观察系统效应，通过敲除负责产生酶的基因来实现。人体利用酶来产生作为信使的一氧化氮。

但她说，这种方法“非常野蛮”。这是对系统的打击，因为你不仅仅是从一个特定的区域打击，比如大脑，而是从整个机体打击，这可能会有其他副作用。”

另一些人尝试将分解时会释放一氧化氮的化合物引入体内，这会产生一些局部效应，但这些效应仍会扩散开来，这是一个非常缓慢且不受控制的过程。

该团队的解决方案是利用电压驱动产生一氧化氮的反应。这类似于一些更大规模的工业电化学生产过程，这些过程相对模块化和可控，能够就地按需进行化学合成。“我们接受了这个概念，然后说，你知道吗?你可以如此局部和模块化的电化学过程，你甚至可以在细胞水平上做到这一点，”Manthiram说。“我认为更令人兴奋的是，如果你利用电势，你就有能力在瞬间开始生产和停止生产。”

该团队的关键成就是找到了一种方法，使这种电化学控制的反应在纳米尺度上有效且有选择性地进行。这就需要找到一种合适的催化剂材料，能够从一种良性的前体材料中生成一氧化氮。他们发现亚硝酸盐为电化学生成一氧化氮提供了一个很有希望的前驱体。

金说:“我们想出了制造一个定制的纳米颗粒来催化反应的想法。”他们发现，在自然界中催化一氧化氮生成的酶含有铁硫中心。从这些酶中获得灵感，他们设计了一种由硫化铁纳米颗粒组成的催化剂，在电场和亚硝酸盐的存在下激活产生一氧化氮的反应。通过进一步将这些纳米粒子与铂掺杂，该团队能够提高它们的电催化效率。

为了将电催化电池缩小到生物细胞的规模，该团队已经创建了包含正、负微电极的定制纤维，这些微电极被包裹在硫化铁纳米颗粒上，以及用于传输亚硝酸钠(前体材料)的微流体通道。当植入大脑后，这些纤维将前体引导到特定的神经元。然后，通过同一根纤维中的电极，反应可以被随意的电化学激活，在该点瞬间产生一氧化氮，这样它的影响就可以被实时记录下来。

作为测试，他们在一个啮齿动物模型中使用这个系统来激活一个大脑区域，这个区域被认为是动机和社会互动的奖励中心，并且在成瘾中起作用。他们证明，它确实激起了预期的信号反应，证明了它的有效性。

Anikeeva说，这“将是一个非常有用的生物学研究平台，因为最终，人们将有办法研究一氧化氮在单个细胞水平上的作用，在整个生物体中执行任务。”她指出，有些疾病与一氧化氮信号通路的中断有关，因此对这一通路如何运作的更详细的研究可能有助于找到治疗方法。

帕克说，作为一种在生物体中产生其他生物分子的方法，这种方法是可以推广的。“基本上，只要我们找到合适的催化剂，找到合适的安全起始化合物，我们现在就可以用这种可伸缩、小型化的方法来生成许多分子。”他说，这种就地产生信号分子的方法可能在生物医学上有广泛的应用。

“我们的一名审稿人指出，这是从来没有做过的——生物系统中的电解从未被用来控制生物功能，”Anikeeva说。“因此，这基本上是一个领域的开始，这个领域可能非常有用”，研究分子可以在精确的位置和时间传输，用于神经生物学或任何其他生物功能的研究。她说，这种在体内根据需要制造分子的能力可能在免疫学或癌症研究等领域有用。

这个项目是Park和Jin在一次偶然的谈话中开始的，他们是在不同领域工作的朋友——神经生物学和电化学。他们最初随意的讨论最终导致了几个部门之间的全面合作。但在今天这个封闭的世界里，金说，这样的偶遇和对话已经不太可能了。“在世界发生了如此大的变化的背景下，如果这是在我们都是分开的时代，而不是在2018年，这种合作可能永远不会发生。”

“这项工作是生物电子学的一个里程碑，”与这项工作无关的芝加哥大学化学副教授田博之说。“它集成了纳米催化、微流体和传统的生物电子学……通过原位生成信号分子，它解决了大脑中精确神经调节的长期挑战。”这种方法可以被神经科学界广泛采用，也可以推广到其他信号系统。”

除了麻省理工学院，该团队还包括来自台湾交通大学、日本NEC公司和以色列魏茨曼科学研究所的研究人员。这项工作得到了国家神经紊乱和中风研究所、国家卫生研究所、国家科学基金会和麻省理工学院化学工程系的支持。