2026年5月5日，合肥综合性国家科学中心大健康研究院食源性功能因子合成生物学研究中心刘洪林研究团队，在期刊《Analytical Chemistry》发表题为“Decoding Early Neurochemical Dynamicsin Circuit Dysfunction of Parkinson’s Diseasevia Synergetic SERS and Electrophysiological Probe Suite”的研究文章。该研究验证了早期帕金森（PD）中多巴胺（DA）缺失的核心地位，还明确了谷氨酸（Glu）失调是连接早期生化紊乱与神经环路病理的功能性中间环节。这一协同的表面增强拉曼（SERS）与电生理学组合技术，能够实现时间分辨的化学-神经生理学映射，为研究神经退行性疾病中分子向神经环路的转变机制提供了通用研究框架。

图1. 构建了检测多巴胺和氨基酸的SERS探针。

DA是一种调控运动功能与神经环路活动的儿茶酚胺类神经递质，其在中枢神经系统内的基础浓度仅为纳摩尔水平，且本身拉曼散射截面极低，因此对其进行直接光学检测常面临信噪比不足的难题。针对痕量DA的高特异、高灵敏识别，关键在于构建兼具分子选择性与信号放大能力的检测体系。为此，研究设计并构建了一种基于级联信号放大机制的SERS探针。该探针通过共价固定、特异性识别与纳米富集三步协同作用，实现DA的高效捕获与信号放大。探针的识别机制是借助1-(3-巯基-1-氧代丙氧基)-2,5-吡咯烷二酮（DSP）分子末端的活性N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）酯基，与DA分子中的氨基发生共价偶联反应，从而将DA分子共价锚定在经DSP修饰的SN基底表面。这一步骤实现了目标分子的不可逆固定与空间定位，为后续信号放大提供了稳定的反应界面。随后，向体系中引入经4-巯基苯硼酸（4-MPBA）修饰的金纳米颗粒（AuNPs）。4-MPBA中的硼酸基团可与已被固定的DA分子中的邻苯二酚结构特异性结合，形成硼酸酯键。该反应让AuNPs在银针（SN）表面发生定向吸附与富集，进而构建出“SN-DA-AuNPs”的组装结构。此结构可在金银纳米结构的间隙处产生强烈的局域表面等离子体耦合，形成电磁场增强热点，从而显著放大4-MPBA报告分子的拉曼信号，实现信号的二次放大。为提升定量可靠性，引入3-MPN作为内标分子，利用其稳定的SERS峰对检测过程中的环境波动与条件差异进行校正。同时，为获取神经微环境中多种氨基酸（AA）的分子指纹谱图构建了一种面向非靶向、广谱分析的SERS探针（SNAA）。与SNDA探针通过逐步反应与组装实现信号放大的策略不同，SNAA探针的设计核心在于构建一个具有通用反应活性的界面化学平台。其目标是通过同一反应机制，使不同结构类型的AA均能在同一增强基底上被稳定捕获，并直接以其固有的分子振动模式产生差异化的SERS光谱，从而无需为每种AA设计特定的识别配体。SNAA探针的构建同样以SN为基底，利用双功能交联剂DSP对其表面进行功能化修饰。DSP分子一端的巯基可与SN形成稳定的Ag-S键，从而牢固锚定在基底表面，另一端的NHS活性酯具有高反应活性，能够与AA的氨基发生亲核取代，形成稳定的酰胺键。通过这一界面共价固定策略，AA被不可逆地固定在SERS增强热点区域附近。相比于物理吸附，共价固定能显著延长分析物在增强场中的驻留时间，有效减少其扩散与解离，从而大幅提高所获SERS信号的稳定性与重现性。尤为重要的是，该策略针对AA共有的氨基进行反应，理论上可实现对不同侧链结构的多种AA的广谱捕获，这为后续对复杂混合物进行统一的光谱采集与解析奠定了关键基础。

图2. SERS在人工脑脊液（ACSF）中实现了对DA和AA的检测，并结合机器学习实现了对AA光谱的准确分类。

随后，为了验证SERS探针对目标物的检测能力。首先，将SNDA探针浸入含DA的ACSF标准溶液中30分钟，用去离子水彻底冲洗，再置于含SERS标记物的金胶体溶液中孵育30分钟。最终水洗后采集SERS光谱进行分析。可以看到随着DA浓度增加，4-MBPA功能化金纳米颗粒在银探针表面的吸附逐渐增强，导致1070 cm?1处的峰强度提升。同时，2250 cm?1处对应内标物3-MPN的SERS信号峰被用于校正环境干扰。SERS强度比值I????/I????在10?12至10?? M浓度范围内与DA浓度呈良好线性关系。这些结果验证了该探针用于体内DA水平波动检测的可行性。

为验证AA传感性能，我们选取了11种神经递质相关氨基酸（谷氨酸、甘氨酸、天冬氨酸、蛋氨酸、色氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、谷氨酰胺、γ-氨基丁酸及亮氨酸）在生理浓度下进行测试。由于不同AA的SERS指纹谱存在显著视觉重叠，我们开发了前馈神经网络（FNN）模型实现精准光谱区分。经基线校正后，将SERS数据集按70:15:15%比例划分为训练集、验证集和预测集。优化后的FNN模型在所有训练阶段分类准确率均超99%，在独立测试集上保持98%以上准确率。表明模型能有效捕捉纳米尺度振动差异并转化为可靠分类结果。

图3. 吗啡诱导的6-OHDA帕金森病模型小鼠旋转行为中的运动不对称性。

为了进一步研究PD早期阶段大脑中DA和AA水平的分子变化，我们首先通过立体定向单侧注射6-羟基多巴胺（6-OHDA）至小鼠右侧纹状体建立PD模型，该模型能更准确地模拟人类PD的病理进程。采用皮下注射阿扑吗啡进行行为学验证时，PD小鼠在注射后30分钟内表现出向假手术侧的同侧旋转行为。通过基于DeepLabCut的运动追踪系统记录并量化旋转行为，并利用SimBA软件重建运动轨迹。在损伤后3、6、9、12和27小时对对照组和PD小鼠进行系统性行为监测。典型运动轨迹显示：对照组小鼠在27小时观察期内未出现异常同侧旋转，而PD小鼠在前9小时内未观察到明显旋转行为。损伤后27小时PD小鼠出现显著的旋转频率增加，而对照组无显著行为变化。图3c汇总了不同时间点30分钟内的平均同侧旋转频率，显示所有组别在损伤后前9小时具有相似的同侧旋转行为。与对照组相比，PD小鼠在术后12小时即出现同侧旋转显著增加，27小时达到超过7.4转/分钟的建模成功标准。这些行为学结果共同证实：单侧纹状体注射6-OHDA能可靠诱导小鼠渐进性运动不对称症状。

图4： 6-羟基多巴胺损伤后M1区皮层振荡的体内电生理分析。

在PD中，运动调节异常（尤其是初级运动皮层（M1）区）导致患者在运动期间无法从β波段活动切换到γ波段活动，从而引发持续性β波段活动增强及随之而来的运动功能障碍。鉴于我们已证实损伤后27小时会出现显著的运动不对称性，接下来我们探究了潜在神经网络功能障碍是否在行为缺陷出现前的更早时间点就已发生。通过立体定位注射6-羟多巴胺至右侧纹状体建立帕金森病小鼠模型，对侧（左侧）半球注射生理盐水作为内对照。在6-OHDA给药后3、6、9和12小时，持续记录假手术侧与帕金森病侧M1区的局部场电位（LFPs），以监测早期多巴胺能功能障碍相关的动态电生理变化。我们使用32通道采集系统在损伤后3、6、9和12小时同步记录双侧M1区局部场电位。每次记录持续180秒，采用定制MATLAB脚本分析β波段与γ波段活动及其跨频段耦合。β波段功率分析显示损伤后3小时和6小时两半球间无显著差异，但9小时时帕金森病侧出现明显增强，12小时时更为显著，而假手术侧保持稳定。相比之下，γ波段功率在双半球各时间点均未呈现显著变化。进一步评估M1区β-γ相位-振幅耦合（PAC）发现，3小时和6小时时组间PAC水平相当，但9小时时帕金森病侧出现明显升高，12小时时进一步增强。这些结果表明：以M1区β波段功率升高和β-γ耦合增强为特征的皮层网络功能障碍，在明显运动不对称性出现前数小时就已发生，说明电生理异常先于并可能驱动帕金森病早期行为缺陷。

图5：6-OHDA损伤后黑质DA能动力学的离体SERS光谱监测。

为探究帕PD的早期分子异常机制，我们采用SERS探针监测了6-OHDA诱导的PD模型小鼠黑质区DA和AA的动态变化。理解这些早期分子扰动对发现PD43潜在治疗靶点至关重要。在PD模型小鼠中，通过单侧注射6-OHDA至右侧纹状体诱导多巴胺能神经元变性，对侧大脑半球作为内参对照。活体采样时，将小鼠固定于立体定位仪，采用SNDA探针双侧采集黑质区信号。随后将探针与4-MBPA修饰的AuNPs与SERS标记物孵育后进行检测。如图5b和S18所示，假手术侧的SERS光谱随时间变化极小，而PD侧在术后0、3、6、9和12小时的信号强度显著下降。以2250 cm?1为内参峰，1070 cm?1特征峰的柱状图显示PD侧拉曼强度在损伤后6小时开始明显降低，假手术侧则无显著波动。1050-1090 cm?1波段与2250 cm?1峰值的强度比也呈现相似趋势，证实了DA浓度随时间递减的规律。这些结果表明PD诱导后黑质区DA存在早期启动的渐进性耗竭现象。

图6：离体SERS分析PD模型小鼠黑质中动态AA失调。

尽管早期多巴胺的耗竭反映了黑质神经元对6-OHDA诱导线粒体功能障碍的直接易损性，但与此同时发生的AA代谢重塑表明更广泛的分子失调加剧了神经毒性。为了进一步阐明这些早期生化事件，我们利用SNAA探针对6-OHDA处理小鼠黑质中的AA动态进行了离体SERS监测，并对光谱数据进行了分析。通过预训练的FNN模型对光谱数据进行分析，在复杂脑环境固有的强光谱重叠背景下仍实现了精准分类。该模型能可靠区分不同氨基酸种类，并揭示出6-羟多巴胺损伤后显著的时序性代谢变化。其中值得注意的是，Glu在9小时急剧上升，至12小时成为氨基酸失衡的主要贡献者，凸显其在早期代谢紊乱中的核心作用。

图7：6-羟基多巴胺损伤后黑质中的时间转录组学和qPCR分析。

通过系统整合神经化学、转录组学、电生理学和行为学数据集，我们绘制了驱动帕金森病早期神经环路不稳定的连续分子与功能扰动图谱。研究采用可靶向检测DA和非靶向分析AA的SERS探针，对6-OHDA损伤模型小鼠黑质区内源性DA与AA的动态变化进行解析。同步开展的批量RNA测序及实时定量聚合酶链反应（qPCR）分析以对侧脑区为参照，揭示了神经递质代谢相关的转录组改变。研究发现凋亡标志物（如Casp3和Bax）显著上调，多巴胺能相关基因（Th、Ddc、Slc6a3）明显下调，提示线粒体依赖性细胞死亡程序快速启动。qPCR证实酪氨酸羟化酶（Th）表达在6-12小时持续降低，强化了DA耗竭作为核心病理触发因素的作用。氧化应激响应基因（Hmox1、Gpx4、Sod1）与内质网应激调节因子（Ddit3、Hspa5）的协同上调引发广泛代谢重编程，其特征是谷氨酸（Glu）水平的病理性升高。谷氨酸能囊泡释放相关基因（Slc17a6）与突触后受体信号基因（Grin2b、Gria1）的上调，伴随谷氨酸清除基因Slc1a2的下调，共同促进Glu蓄积。在分子层面，这些转录变化与离体SERS在9小时检测到的Glu升高相一致，标志着兴奋性毒性应激的起始。功能上，Glu依赖性钙离子超载破坏了皮层网络活动稳定性，导致初级运动皮层（M1）β波段同步化增强及β-γ相位-振幅耦合增加。氧化应激相关基因（Hmox1、Sod1）与凋亡介质（Casp3、Casp9）的持续上调可能引发动作电位时程延长和高频异常放电，从而促进病理振荡活动通过黑质-纹状体-皮层环路扩散。损伤后27小时出现显著运动功能障碍，此时DA丢失加剧且神经环路失稳恶化。值得注意的是，α-突触核蛋白相关基因（Snca）表达在12小时后才发生改变，表明在该模型中兴奋性毒性Glu失调先于α-突触核蛋白相关通路的激活。

总体而言，这些多模态研究结果勾勒出了帕金森病早期一致的病理发展轨迹：始于多巴胺耗竭与氧化应激，随后出现以谷氨酸为核心的代谢失衡、网络稳定性破坏，最终导致行为功能障碍。我们的分析不仅证实了多巴胺缺失的核心地位，更发现谷氨酸失调是关键分子枢纽，异常神经振荡则是连接早期生化紊乱与神经环路病理的功能性中间环节。这些发现揭示了行为症状出现前的关键治疗窗口期，并强调了针对谷氨酸相关通路进行干预对延缓帕金森病早期进展的潜在价值。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.6c01371