组成图示
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传感器类型
全细胞生物传感器
检测对象
肉毒毒素 A（botulinum toxin type A, BoNT A）；样品基质：培养液浴/简化食品基质（白蛋白生理盐水载体）
检测原理
该传感器以活皮层神经元网络作为识别与换能单元。BoNT A 加入培养液后与神经元表面受体结合并内化，其锌蛋白酶结构域切割突触囊泡相关蛋白 SNARE（主要为 SNAP-25），干扰囊泡融合与神经递质释放，改变网络兴奋/抑制平衡。这种细胞内毒性作用使自发和诱发电爆发的持续时间、每爆发尖峰数增加，并在爆发内形成多峰振荡。MEA 的 TiN 微电极记录神经元细胞外动作电位，25 kHz 采样后提取尖峰与爆发，比较给药前后基线；变化随毒素摄取和 SNAP-25 切割累积而增强，48 h 达到显著。系统不依赖外源标记物，以活细胞电生理指纹作为信号。
检测灵敏度
原文未报告 LOD、线性范围、灵敏度斜率或相关系数。
效应效果
实验使用 10 个 MEA，5 个给药、5 个对照。89% 的 BoNT A 培养在给药后出现爆发持续时间和每爆发尖峰数增加，48 h 起与对照差异显著（P<0.05）。50% 给药培养出现 3 个及以上爆发内活动峰，对照仅单峰。诱发电活动中，8/9 给药培养在 24 h 至 1 周出现 >100 ms 后期活动升高，36 h 时 5/9、72 h 时 8/9 出现多峰。对照反转实验证实趋势。作者认为该法只响应可内化并切割 SNARE 的活性毒素，可替代小鼠生物试验，减少动物使用，但尚未在真实食品基质中验证。
传感器的构成
- 基底/换能器电极：Multichannel Systems MEA，8×8 微电极网格，SiN 绝缘，TiN 电极位点，记录细胞外动作电位
- 表面修饰层：聚乙烯亚胺（PEI）处理表面促进细胞黏附；层粘连蛋白（laminin）促进神经突起生长
- 识别元件：原代大鼠皮层神经元网络（E17–E18 Wistar 大鼠胚胎皮层，约 5×10^4 细胞），培养于 DMEM/马血清培养基，成熟 >30 d，作为活细胞识别元件
- 样品接触层：1 mL 培养液浴，加入 BoNT A 或白蛋白/生理盐水载体，使毒素接触神经元网络
- 信号读出：MEA1060 放大器与 A/D 硬件，25 kHz 采样，检测尖峰和爆发，计算爆发持续时间、每爆发尖峰数、振荡峰等
中文摘要
肉毒毒素（BoNT）是由产毒梭菌产生的强效神经毒素，可能通过加工不足的低氧食品释放，也可被用于蓄意攻击食品供应，因此快速可靠地检测食品中的 BoNT 十分必要。本文报道了一种基于体外培养在微电极阵列（MEA）上的活神经元网络的 BoNT 生物传感器。MEA 表面嵌入电极网格，可长期记录生长其上的皮层神经元动作电位。将药用级 BoNT A 加入成熟皮层网络培养液后，连续 1 周监测自发与诱发电活动，以量化 BoNT A 引起的神经群体变化。结果显示，与对照相比，BoNT A 使自发和诱发电爆发的持续时间及爆发内尖峰数增加，给药后 48 h 内差异显著（P<0.05）。BoNT A 还诱导爆发内出现类似早期发育模式的振荡行为，50% 给药培养出现 3 个及以上活动峰，而对照仅出现单峰。因此，MEA 记录的皮层网络活动可作为 BoNT 检测的有价值平台。
英文摘要
Botulinum toxin (BoNT) is a potent neurotoxin produced by toxigenic strains of Clostridium botulinum. Botulinum toxin poses a major threat since it could be employed in a deliberate attack on the U.S. food supply. Furthermore, BoNT may be liberated in any insufficiently processed food containing a reduced oxygen atmosphere. Hence, rapid and reliable detection of BoNT in foods is necessary to reduce risks posed through food contamination. We present a BoNT biosensor employing living neural cultures grown in vitro on microelectrode arrays (MEAs). An MEA is a culture dish with a grid of electrodes embedded in its surface, enabling extracellular recording of action potentials of neural cultures grown over the array. Pharmaceutical grade BoNT A was applied to the media bath of mature cortical networks cultured on MEAs. Both spontaneous and evoked activities were monitored over 1 wk to quantify changes in the neural population produced by BoNT A. Introduction of BoNT A resulted in an increased duration and number of spikes in spontaneous and evoked bursts relative to control cultures. Increases were significant within 48 h of BoNT A dosage (P < 0.05). Application of BoNT A also induced unique oscillatory behavior within each burst that is reminiscent of early developmental activity patterns rather than the mature cultures used here. Three or more activity peaks were observed in 50% of the BoNT dosed cultures. Control cultures exhibited only a single activity peak. Thus activity of these cortical networks measured with MEAs could provide a valuable substrate for BoNT detection.