image: Au@HCP NTs传感器通过结构设计与界面优化，系统解决了机械形变适配、生物污染干扰和结构相近小分子的高选择性识别三大难题，推动电化学技术走向活体生物传感。并据此揭示肠嗜铬细胞（ECs）在“免疫-机械”信号整合中的核心作用。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
肠道不仅是消化和吸收的主战场，更是肠免疫系统与神经系统协作的重要界面。其如何实时整合食物、微生物以及机械刺激并形成动态生理响应，一直是生命科学领域的核心问题。然而，在极其复杂的肠道微环境中，实现神经递质的精准动态追踪一直是该领域公认的技术难题。近日，发表于Science Bulletin的一项研究报道了一种具有高度形变耐受性和强抗污能力的可拉伸电化学传感平台。该平台支持在原位条件下精准捕捉并解析肠道内部的动态小分子化学信号，并揭示了在微生物相关刺激状态下肠道机械感知增强的新机制。值得注意的是，该平台创新性地采用了一维纳米导电网络与主客体功能化壳层的组合模式，确立了一种能够同时屏蔽机械伪影、大分子生物污染与小分子交叉干扰的电化学传感底层设计框架。肠腔内监测为该平台提供了一个既具挑战性且理想的应用验证场景，同时，其在应对力学信号扰动、生物污染及分子干扰等问题上的设计思路，亦具备向其它复杂活体环境迁移的潜力。
研究表明，肠嗜铬细胞（EC细胞）在肠道的感觉与运动调控中发挥着重要作用。这类特化的肠上皮细胞能够释放5-羟色胺（5-HT，也称血清素），并在肠腔信号适应和运动模式切换中发挥关键作用。与此同时，5-HT系统紊乱与肠易激综合征、慢性便秘等多种功能性疾病密切相关。然而，传统的柔性传感设备在面对肠道强烈的节律性蠕动、极易导致电极钝化的复杂生物污垢，以及结构高度相近的小分子交叉干扰这三大挑战时，往往面临失真与失活的风险。如何在这三重约束中实现5-HT信号的实时、准确监测，成为相关传感器件开发的技术瓶颈。
为突破这一难题，研究团队从材料科学与电化学交叉入手，构建了基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的柔性电极。在电极表面引入无序金纳米管（Au NTs）导电网络，利用纳米管间的相对滑移，确保导电通路在形变过程中仍保持连续，从而使器件在拉伸、弯曲乃至膨胀状态下仍保持稳定输出，显著降低机械伪影干扰，适配肠道动态力学环境。这一纳米结构设计降低了传感器因形变造成的导电通路中断风险，从而提升了信号输出的连续性与稳定性。
在此基础上，研究团队进一步设计了掺杂2-羟丙基-β-环糊精（HC）的PEDOT功能涂层。这一“智能界面”兼具分子识别与抗污双重能力：首先，利用环糊精疏水空腔的主客体作用，高选择性地捕获5-HT，即使在多巴胺、肾上腺素等结构相近的分子共存时仍可有效区分；其次， HC的亲水外层可有效抑制蛋白吸附及5-HT氧化产物的沉积，使电极在复杂生物流体和细胞培养体系中可持长达72小时的稳定抗污能力。
此外，性能测试显示，该传感器对5-HT的灵敏度达到4.85 μA/(μM cm2)，检测限低至3.9 nM，线性检测范围覆盖10 nM–20 μM，展现出优异的微量靶标分子捕捉能力，可满足细胞与组织尺度下病理生理浓度范围内的监测需求。
借助该平台，研究团队进一步解析了肠道“免疫-机械”信号的整合机制。通过构建细胞与离体组织培养—检测一体化系统，在接近生理条件下实现了细胞和组织层面的5-HT原位监测。结果发现，模拟病毒（poly(I:C)）、细菌（LPS）和真菌（Zymosan）感染的刺激物均可显著增强EC细胞的机械敏感性，并显著提高5-HT释放水平。
进一步的机制研究表明，这些微生物相关的刺激可激活EC细胞表面的模式识别受体，并通过p38 MAPK通路产生双重调控作用：一方面上调机械敏感离子通道Piezo2的表达，增强机械诱导分泌；另一方面上调色氨酸羟化酶1（TPH1），提升细胞内5-HT储备。同时，在组织层面，微生物相关刺激还可增加EC细胞密度。上述发现表明，EC细胞不仅是单纯的效应细胞，更是一种能够整合肠腔内化学、机械及免疫等多维信号刺激的活体“传感器”，在病理刺激下，EC细胞可以通过“促进递质的合成与储备”与“提高机械刺激的反应敏感性”的双重调节机制重塑自身的响应阈值，进而成为“免疫-机械-炎症”过程的肠道“信号放大器”。这一发现为理解肠道在感染期及感染后如何维持高敏机械状态，并通过过量释放5-HT驱动异常的肠道动力反应提供了新视角，进而揭示了类似肠易激综合征的症状表型的形成机制。
结语：
综上所述，该研究在材料与器件层面提出了一种在力学场景下面向复杂生理环境的电化学传感材料框架，该框架多重抗干扰能力，，并基于该框架获得了肠嗜铬细胞多维信号整合机制的实验证据。该工作表明，面向实际应用的活体原位化学检测，其核心并非局限于单一性能的优化，而是在活体生理环境中协同满足灵敏检测、力学抗扰以及分子识别特异性等系统性要求。这一工作推动了柔性活体传感技术从“场景验证”走向“方法学凝练”，为未来在机制探究与临床实践的原位物质分析提供了可迁移的技术与认知基础。