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为解决传统酶生物传感器因尺寸限制，无法在突触位点精确检测及难以实现胞内测量的技术瓶颈，研究人员开发了一种基于针状碳纤维纳米尖端电极的快速、低噪声乙酰胆碱（ACh）生物传感器。研究将其应用于分化的人胆碱能SH-SY5Y细胞模型，首次在单个细胞内同步量化了胞内囊泡ACh存储量与突触前胞吐释放量，发现胞吐释放的ACh平均比胞内囊泡储存量低1.8倍，表明这些细胞主要采用部分释放（如“吻跑”模式）进行胞吐。这一发现为理解胆碱能信号传导的量子性质及融合孔动力学提供了定量新见解。
在大脑中，乙酰胆碱（ACh）扮演着“信使”的关键角色，它调控着我们的认知、记忆和肌肉运动。然而，要精确捕捉这种神经递质在细胞间如何传递“信息包”，却是一个巨大的技术挑战。ACh本身没有电化学活性，传统的电化学方法无法直接“看见”它。而更棘手的是，ACh从神经元末梢的囊泡中通过“胞吐作用”释放的过程，快如闪电，发生在毫秒甚至亚毫秒级别。虽然科学家们已经开发出微米级的酶生物传感器来间接检测ACh，但这些“大家伙”个头太大，难以精准定位到微小的突触间隙，更无法像一根超细的针一样刺入细胞内部，去探测囊泡里到底储存了多少ACh。这种“内外无法兼顾”的窘境，限制了我们全面理解ACh的信号机制，特别是在研究像阿尔茨海默病这样与胆碱能系统功能障碍相关的神经退行性疾病时。
为了攻克这个难题，研究团队将目光投向了纳米技术。他们想知道，在模拟人类神经元的人胆碱能SH-SY5Y细胞中，当囊泡与细胞膜融合释放ACh时，是一次性倾囊而出（完全释放），还是只打开一个小孔，释放一部分内容物（部分释放）？为了回答这个问题，来自瑞典查尔姆斯理工大学的Yuanmo Wang、Ann-Sofie Cans等人，在《Bioelectrochemistry》上发表了一项创新研究。他们成功制造了一种前所未有的工具——针状碳纤维纳米尖端乙酰胆碱生物传感器。这个传感器极其微小（尖端直径约100纳米，长度约10微米），表面修饰了金纳米颗粒和一层乙酰胆碱酯酶（AChE）与胆碱氧化酶（ChO）的复合酶膜。当ACh分子接触到传感器时，会被酶级联反应快速转化为具有电化学活性的过氧化氢（H2O2），从而被高灵敏度地检测到。得益于其纳米级的尺寸和超快的响应时间，这个传感器可以像一根微创探针，既能在细胞外紧贴神经末梢记录毫秒级的ACh胞吐事件，又能小心翼翼地插入细胞体内部，直接测量囊泡破裂时释放的全部ACh含量。这就好比我们不仅能在邮局门口（突触间隙）统计寄出的信件（释放的ACh），还能进入邮局仓库（细胞质）清点每个邮包（囊泡）里的信件总数。
为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术：首先，采用显微镜辅助的电化学液滴蚀刻技术，高效、可控地制备出形貌一致的针状碳纤维纳米尖端电极（CFNE）。其次，通过电化学沉积在CFNE表面均匀修饰金纳米颗粒，并自吸附固定AChE与ChO酶单层，构建了超快ACh生物传感器。然后，使用视黄酸和脑源性神经营养因子将SH-SY5Y人神经母细胞瘤细胞分化为胆碱能表型，作为人类胆碱能神经元的体外模型。最后，利用该纳米生物传感器，在同一个分化细胞上先后进行了胞内囊泡ACh含量测量和胞外突触前ACh胞吐释放记录，所有电化学信号均通过高采样率（100 kHz）的安培法进行采集与分析。
2. 结果与讨论
2.1. 用于分化的胆碱能SH-SY5Y细胞胞内及突触前胞吐测量的超快针状ACh生物传感器的制备
研究人员成功制备了针状碳纤维纳米尖端电极，并通过扫描电子显微镜确认了其表面均匀的金纳米颗粒涂层（平均直径21纳米）。在此基础上构建了ACh生物传感器，其通过酶级联反应将ACh转化为H2O2进行安培检测，为后续的高时空分辨率测量奠定了基础。
2.2. 在分化的胆碱能SH-SY5Y细胞中检测胞内及突触前胞吐的ACh
研究将生物传感器分别置于分化细胞的神经突末端（胞外）和插入细胞体（胞内），成功记录了来自胞吐事件和胞内囊泡破裂事件的安培电流尖峰信号。两种信号均展现出亚毫秒级的时间分辨率，证实了该纳米传感器具备在突触和胞内环境进行高保真记录的双重功能。
2.3. 分化的胆碱能SH-SY5Y细胞胞内ACh囊泡含量与突触前胞吐ACh释放的比较
在14个细胞中配对测量的结果显示，胞内囊泡破裂事件的平均电荷（11.8 fC）显著高于胞吐事件（6.6 fC），平均高出1.8倍。同时，胞内事件的峰值电流也更高。尽管两者的尖峰动力学参数（如上升时间、半峰宽）相似，但电荷分布的统计分析（科尔莫戈罗夫-斯米尔诺夫检验、曼-惠特尼U检验）一致表明，胞内测得的囊泡ACh含量在统计学上高于胞吐释放量。这强烈提示，在分化的SH-SY5Y细胞中，胞吐过程主要以部分释放模式进行。
2.4. 突触前胞吐尖峰亚型的表征及相对量子释放
研究人员进一步根据尖峰形状和持续时间，将电荷较高的胞吐事件分为完全尖锐型、递增型、递减型和高原型四种亚型。分析发现，即使是这些释放量相对较大的胞吐事件亚型，其平均电荷也仍然低于胞内囊泡破裂的平均电荷。而最常见的、电荷较小的尖锐型尖峰（约占所有事件的35%）则可能与受限的、瞬时的融合孔开放相关。这些结果共同支持了部分释放是这些细胞中主要胞吐模式的结论。
2.5. 测量顺序对ACh胞吐及胞内囊泡量子含量的影响
为了排除实验操作顺序（先测胞内还是先测胞吐）可能带来的干扰，研究设计了对照实验。结果表明，无论先进行胞内测量还是先进行胞吐测量，胞内事件与胞吐事件在峰值电流、半峰宽和电荷等关键参数上的比值均无显著差异。这说明纳米传感器的插入和测量过程是微创的，未对细胞的囊泡储存或释放特性造成持久性影响，从而增强了配对测量结果的可信度。
结论与意义
本研究成功开发了一种基于针状碳纤维纳米尖端电极的超快、低噪声ACh生物传感器，克服了传统传感器在空间分辨率上的限制。利用这一创新工具，研究人员首次在分化的、模拟人类神经元的人SH-SY5Y胆碱能细胞中，使用同一个传感器对同一细胞进行了胞内囊泡ACh存储量与胞吐释放量的配对定量比较。核心发现是：胞内囊泡存储的ACh量显著高于胞吐过程中实际释放的量（平均高出1.8倍，模态值高出1.2倍），这强有力地证明在这些细胞中，部分释放（而非完全释放）是主导的胞吐模式。这一发现对于理解胆碱能神经传递的量子性质及其调控机制至关重要。
该研究的重大意义在于：
- 1.
技术突破：提供了一种能在亚细胞分辨率下同时探测囊泡储存和释放的强大新工具，实现了对融合孔动力学的直接探究。
- 2.
机制洞察：首次在人类相关的神经元模型中对ACh的量子释放效率进行了直接量化，明确了部分释放在胆碱能SH-SY5Y细胞中的主导地位，这为理解神经递质释放的调节提供了新视角。
- 3.
疾病建模价值：建立了将SH-SY5Y细胞用于胆碱能信号基本机制研究的可靠基准。由于胆碱能功能障碍与阿尔茨海默病等多种神经系统疾病密切相关，该平台为在细胞模型中研究疾病相关的神经递质释放异常提供了新的可能。
综上所述，这项研究不仅推进了神经化学检测技术的前沿，也为在分子水平上深入探究胆碱能信号传导及相关疾病的病理机制奠定了坚实的方法学基础。
