柔性光纤传感器-实时监测运动模拟工程骨骼肌中氧化还原信号分子

摘要：骨骼肌是一种高度动态和可塑性的组织，主要位于身体的躯干和四肢，其主要功能是在体育锻炼过程中产生力量和能量代谢。大量研究证实，运动训练会引起肌肉的重大结构和功能变化。例如，耐力训练（例如步行和游泳）可增强代谢能力和适应性，而阻力训练（也称为力量或重量）可促进肌肉

第一作者：Jia-Xin Li

通讯作者：Yan-Ling Liu

通讯单位：武汉大学

DOI: 10.1002/anie.202421684

背景介绍

骨骼肌是一种高度动态和可塑性的组织，主要位于身体的躯干和四肢，其主要功能是在体育锻炼过程中产生力量和能量代谢。大量研究证实，运动训练会引起肌肉的重大结构和功能变化。例如，耐力训练（例如步行和游泳）可增强代谢能力和适应性，而阻力训练（也称为力量或重量）可促进肌肉肥大和力量。这些变化取决于运动激活的信号通路的复杂协调，以调节代谢和适应性。氧化还原信号与肌肉收缩、线粒体生物合成、抗氧化酶诱导和肌肉肥大密切相关。因此，在运动过程中测量活性氧和氮物质 (RONS) 有助于深入研究骨骼肌结构和功能背后的信号机制。

目前，基于三维（3D）细胞培养的体外模型已经取得了令人振奋的进展，以重现天然骨骼肌的仿生基质，并且使用各向异性引导支架，电刺激或机械负荷可以进一步促进细胞定向生长，分化和成熟。作为工程骨骼肌组织的评估，现有研究主要集中于评估收缩力以评估电刺激或药物刺激下的肌肉功能。通常，采用终点或离线方法来分析由此产生的生化反应，例如基因表达，蛋白质合成，激素分泌和能量代谢。然而，尽管肌肉氧化还原信号通路起着至关重要的作用，但运动诱导的RONS的实时产生及其与不同形式运动的关系仍不清楚。

电化学传感是一种成熟的无标记技术，由于响应速度快，灵敏度高，因此可以实时监测化学分子。特别是，新兴的柔性和可拉伸电极可以完美地贴合柔软和动态的细胞或组织，为精确测量各种生物系统中的关键生物标志物提供了自适应和稳定的传感界面。最近的进展包括从拉伸或压缩的细胞中机械诱发的 RONS 和神经递质释放，到体内实时监测静脉血中的Ca2+和葡萄糖，关节腔内的NO以及大脑和肠道中的神经递质（抗坏血酸、多巴胺和血清素）。在这方面，将软电化学传感器与 3D 细胞培养相结合是一种令人信服的探索运动模拟骨骼肌中 RONS 的有前途的方法，但尚未见报道。

本文亮点

1. 本工作通过将碳纳米管扭成螺旋纤维束并随后组装电化学传感元件来引入双柔性传感器。

2. 这些柔性传感器表现出低弯曲刚度、出色的H3. 这允许实时和同时监测工程骨骼肌响应不同的运动模拟拉伸时释放的H22

图文解析

图1. 通过柔性 PPL/CNF 和 PPLC/CNF 传感器同时监测模拟运动拉伸引起的工程骨骼肌中 H22

图2. a) CNF 表面 PPL 和 PPLC 组装示意图。b) (I) 直、(II) 打结和 (III) 螺旋 CNF 的 SEM 图像。c) PPL/CNF 和 PPLC/CNF 的 SEM 图像和相应的 EDX 元素映射图像。d) CNF、PPL/CNF 和 PPLC/CNF 的拉曼光谱。e) 直径相同为 10 μm 的 CNF、PPL/CNF 和 PPLC/CNF 的载荷-位移曲线。插图是显示 CNF 纳米压痕的 SEM 图像。f) 在 1 mM K36] 中获得的 CNF、PPL/CNF 和 PPLC/CNF 的 CV 曲线。扫描速率：100 mV s-1。g) PPL/CNF 和 PPLC/CNF 在 1 mM K36] 中弯曲 180° 后进行不同循环后记录的 CV 曲线氧化峰电流。

图3. a) 同时检测 H2和 NO 的双电极示意图。在 b) 1 mM H和 c) 50 μM NO 中，扫描速率为 100 mV s-1 记录的 CNF、PPL/CNF 和 PPLC/CNF 电极的 CV 曲线。d) 在电位为 +0.5 V（n = 3）时，一系列增加的 H浓度的 PPLC/CNF 的安培响应和 e) 相应的校准曲线。f) PPLC/CNF 电极（+0.5 V）对 100 nM 和 2 μM NO 以及 1 μM 和 20 μM H（n = 3）的安培电流。g) 在电位为 +0.8 V（n = 3）时，PPL/CNF 对一系列增加的 NO 浓度的电流响应和 h) 相应的校准曲线。i) PPL/CNF 电极（+0.8 V）对 100 nM 和 2 μM NO 以及 1 µM 和 20 µM H2（n = 3）的电流。所有数据均以平均值 ± s.d. 表示。

图4. a) 第 2 天用量子点标记的双电极（红色）和用 Cell Tracker（绿色）标记的 C2C12 成肌细胞的荧光图像的 3D 重建。b) 在 5 天的培养过程中用 Calcein-AM（绿色）和 PI（红色）染色的 C2C12 细胞的荧光图像。c) 培养期间细胞方向角的统计分析（n = 3）。方向角（θ）定义为细胞长轴与纤维电极之间的角度。d) C2C12细胞培养不同天数后，在PBS中测量的PPL/CNF电极的EIS曲线。e) C2C12细胞培养不同天数（n=5）后，在50 Hz的PBS中测量的PPL/CNF电极的统计阻抗。f)有和没有电极的C2C12细胞中MHC（绿色）、细胞核（蓝色）和F-肌动蛋白（橙色）的免疫荧光染色和g）第5天（n=3）的MHC的相应统计分析。h，i）用电极培养1天和5天（n=3）的C2C12细胞中MyoD蛋白表达的Western印迹分析。**P

22和NO生成的示意图。b) 拉伸至 20% 之前和之后用 Calcein-AM（绿色）染色的 C2C12 细胞荧光图像。c) 在不同条件下拉伸 10% 的 C2C12 细胞中检测到的安培曲线和 d) 相应的 H2和 NO 量统计数据（n = 3）。n.s.：无显著性，***P

图6. a) 同时安培监测和 b) 不同 SS 负荷下工程骨骼肌释放的 H2和 NO 量的相应统计数据（n = 3）。c) 同时安培监测和 d) 5% p-CS 后 20% SS 下工程骨骼肌释放的 H2/NO)）的相应统计数据（n = 3）。e) 同步电流监测和 f) 5% p-CS (n = 3) 后 20% CS 处理的工程骨骼肌中 H2/NO)) 的相应统计。**P