在许多生命活动中，包括血管中的血流、心跳、肠道蠕动或肺呼吸，运动高度涉及动态机械力刺激和常驻细胞的生长和运动之间的持续相互作用。在这些基本过程中，从细胞释放的多种生化分子被产生以适应各种物理压力并驱动细胞新陈代谢，称为机械转导。在这个过程中，活性氧（ROS）水平在氧化还原调节和维持活细胞的生理平衡方面起着至关重要的作用。例如，沿着血管壁内衬定位的血管内皮细胞直接遭受来自血液环境的机械刺激，并能感知机械信号并将其传递到细胞内部，从而产生ROS。过氧化氢（H2O2）作为拉伸诱导的ROS物种中最具代表性的一种，不仅参与血管功能的信号转导和生理调节，而且在调节对机械刺激的反应中起着关键作用。H2O2产生和去除之间的平衡对于维持细胞内氧化还原稳态至关重要。H2O2的过度积累导致氧化应激，干扰正常的信号通路，影响细胞功能，甚至引发包括高血压、血栓和动脉粥样硬化在内的各种心血管疾病。因此，在内皮机械转导过程中真实监测内源性H2O2释放对于揭示细胞的氧化应激状态以及确定H2O2水平与血管功能调节之间的关系具有重要意义。迄今为止，细胞H2O2监测已经成功地通过多种检测方法实施，如电子顺磁共振（EPR）、荧光成像和电化学方法。特别是，为了探索拉伸诱导的细胞瞬时H2O2释放，具有Au@Pt纳米管网络或导电聚合物基电极的可拉伸电化学传感器相继开发并肯定促进了对机械诱发ROS释放在细胞中的作用的理解。尽管取得了这些进展，但在信号检查过程中施加于ROS电氧化的外部电压（+0.5 V）仍然是对活细胞微环境额外电扰动的不可避免的担忧。这可能会进一步影响细胞行为，特别是促进伸长和增强信号因子的分泌，导致拉伸诱导ROS水平的真实评估的不理想的准确性。作为电化学方法的理想衍生物的广电（PEC）技术是指发生在半导体-电解质溶液界面的光电转换过程。在PEC传感中，利用外加光而不是外部电压来激发光活性物质以进行电信号读出。与电化学传感器相比，PEC传感器有效地避免了可能导致生物标志物异常表达的不可接受的电刺激，并实现了对生物分析的卓越检测性能。最值得注意的是，由半导体表面附近的空间电荷层诱导的内置内部电场进一步减少甚至抵消了电刺激。凭借这些优点，基于简易半导体纳米材料的PEC传感器在量化活细胞释放的H2O2方面取得了相当大的进展。然而，这些研究几乎是通过使用刚性氧化铟锡或玻璃碳电极来实现的，偏离了内皮细胞的真实环境。此外，尽管微电极由于高时空分辨率而被广泛用于细胞分析，但它们没有提供直接的方法来评估生化细胞反应，同时在细胞表面的大面积应用不同强度的机械应变，这很难用于监测细胞机械信号。目前，为人体汗液分析开发的可穿戴PEC传感器正在出现，制造可拉伸的PEC传感器用于真实监测细胞机械转导中H2O2释放很有希望，但仍然是一个巨大的挑战，尚未报道。因此，我们通过在polydimethylsiloxane（PDMS）薄膜支撑的金纳米管（Au NTs）电极上装饰零维一维（0D-1D）CuO@TiO2nanowires（NWs）构建了一个灵活且可拉伸的PEC传感器（图1A）。金纳米管表面交错的0D-1DCuO@TiO2NWs同时表现出极大的可拉伸性，并赋予CuO@TiO2NWs/Au NTs/PDMS光电极在机械变形期间具有稳定的光电流响应。正如预期的那样，H2O2捕获的有效分离的载体实现了对H2O2评估的出色PEC传感性能。随后在其上培养内皮细胞，所提出的可拉伸PEC传感器首次允许仅在光照下实时监测内皮细胞机械转导期间的瞬时H2O2释放（图1B）。我们的结果为生物分析中的可拉伸PEC传感器开辟了一条新途径，提供了对细胞环境中拉伸诱发的ROS水平的现实理解。![]()
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相关成果以“Flexible and Stretchable Photoelectrochemical Sensing toward True-to-Life Monitoring of Hydrogen Peroxide Regulation in Endothelial Mechanotransduction”，发表在国际学术期刊“Analytical Chemistry”上。
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https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c03550
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