萬用材料石墨烯又有新應用,能用來強化神經訊號傳遞

作者 | 發布日期 2018 年 03 月 23 日 8:00 | 分類 材料 , 生物科技 follow us in feedly

石墨烯是由碳原子排列的正六角形所組成,是具有彈性卻十分堅固的平面薄膜,也是迄今發現電阻最小的材料。儘管石墨烯從被發現至今不到 20 年,但它正在改變包含組織工程、神經義肢(neuroprosthetics)和藥物研發在內的生物醫學領域。



直到 2004 年英國曼徹斯特大學物理學家安德烈‧蓋姆(Andre Konstantin Geim)和康斯坦丁‧諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)成功將石墨烯從石墨中分離出來以前,石墨烯一直被認為是假設性的結構,而他們兩人也因這個具開創性的實驗而共同獲得 2010 年諾貝爾物理學獎。

由於石墨烯具有易導電性和導熱性,所以是很好的生物感測器,然而最近科學家卻發現它並非電中性。當美國范德比大學(Vanderbilt University)的科學家試著利用石墨烯來測量大腦的電氣活動時,發現它實際上會增強神經細胞傳遞的訊號。

石墨烯會使神經細胞吸收更多膽固醇,而這些脂質類會被用來製造更多包裹神經遞質的囊泡。神經遞質是在不同神經細胞間傳遞訊號的化學信使,因此當越多囊泡被製造,便代表有更多的神經遞質被傳遞,產生更強神經訊號。

這項研究被發表在 2018 年 2 月 23 日的《自然通訊》(Nature Communications)雜誌。文中提到研究人員可以藉由改變石墨烯的多寡來操縱細胞中膽固醇的含量,再進一步了解細胞之間傳遞訊息的方式。

范德比大學醫學院藥理學助理教授 Qi Zhang 博士表示:「石墨烯不僅可以成為輸送藥物的良好載體,甚至還可能具有潛在的藥物療效。」於是研究人員讓神經細胞生長在石墨烯上,以便後續實驗進行。

跨界材料科學研究生、同時也是本篇論文第一作者的 Kristina Kitko 表示:「我們觀察到生長在石墨烯上的神經元發射頻率有明顯增加,這件事大大激起我們的好奇心,於是我們想以更具針對性的方式測量突觸前神經元的活性。而結果令我們大感訝異:石墨烯竟然能使突觸前神經訊號增強!」

研究人員意識到石墨烯可能參與神經細胞膜的作用,而細胞膜主要由膽固醇組成,因此下一個要研究問題的是:「膽固醇有可能參與其中嗎?」於是他們想到了控制細胞膜上的膽固醇。

膽固醇對細胞而言是很重要的基本組成物質,也會參與某些藥物的作用,研究人員發現石墨烯會影響 G 蛋白偶合受體(一類膜蛋白受體的統稱,目前已有一半以上的藥物都會以此受體為標靶來和細胞結合),其過程中許多作用的活性是受膽固醇調控。

科學家總是對石墨烯的應用寄予厚望,或許有朝一日大腦神經元神經遞質的運送方式和膽固醇的作用關係,能藉由石墨烯來解答。

(首圖來源:By AlexanderAlUS (Own work) [CC BY-SA 3.0 or GFDL], via Wikimedia Commons