Czułe i specyficzne nanosensory potasu do wykrywania napadów padaczkowych

Naukowcy z Center for Nanoparticle Research, w ramach Institute for Basic Science (IBS, Korea Południowa) we współpracy ze współpracownikami z Uniwersytetu Zhejiang w Chinach, zgłosili wysoce czuły i specyficzny nanosensor, który może monitorować dynamiczne zmiany jonów potasu u myszy poddawanych napadom padaczkowym, wskazując na ich intensywność i pochodzenie w mózgu.

Padaczka jest zaburzeniem ośrodkowego układu nerwowego, któremu towarzyszy nieprawidłowa aktywność mózgu, powodująca napady lub okresy nietypowego zachowania, odczucia, a czasami utrata świadomości. Jeżeli napady padaczkowe trwaj± przez 30 minut lub dłużej, mog± spowodować trwałe uszkodzenie mózgu, a nawet ¶mierć. Potrzeba technologii do oceny stopnia zaburzeń aktywności elektrycznej związanych z padaczką jest dobrze znana.

Jednym z głównych celów badań jest jon potasowy (K+). Jon ten wpływa na różnicę w potencjale elektrycznym pomiędzy wewnętrzną i zewnętrzną błoną neuronów, a także wpływa na pobudliwość wewnętrzną neuronów i transmisję synaptyczną. Pomimo znacznych wysiłków mających na celu poprawę selektywności czujników K+, są one nadal dalekie od zadowalających, ponieważ obecnie dostępne reportery optyczne nie są w stanie wykryć niewielkich zmian w jonach potasu, w szczególności u swobodnie poruszających się zwierząt. Ponadto są one podatne na zakłócenia jonami sodowymi, ponieważ zaraz po napływie Na+ następuje wypływ K+, gdy impulsy przechodzą przez błonę komórki nerwowej. W niniejszym opracowaniu, opublikowanym w Nature Nanotechnology, badacze opisują wysoce czuły i selektywny nanosensor K+, który może monitorować zmiany K+ w różnych częściach mózgu swobodnie poruszających się myszy.

Nowy nanosensor tworzony jest z porowatych nanocząsteczek krzemionki osłoniętych ultracienką membraną przepuszczającą potas, która jest bardzo podobna do kanału potasowego w komórkach mózgowych. Wielkość porów pozwala na dyfuzję tylko K+ do wewnątrz i na zewnątrz, osiągając granicę wykrywalności nawet 1,3 mikrometra. Pozwala to na specyficzny odczyt submilimolarnych zmian pozakomórkowego K+ i mapowanie przestrzenne tego jonu w mózgu.

Badanie to wykazało, że filtr membranowy z membraną przepuszczalną K+ na nanosensorze jest skuteczny w odfiltrowywaniu innych kationów i wychwytywaniu wyłącznie jonów K+. Taka strategia budowy nanosensorów przyczyniłaby się nie tylko do odkryć naukowych i przełomów w badaniach neurologicznych, ale również do rozwoju innych selektywnych czujników jonowych.

Wykorzystując te nanosensory w regionie hippokampalnym CA3, zespół mógł zgłaszać stopień napadów padaczkowych u żywych myszy i porównywać go z zapisami aktywności neuronowej wykonanymi za pomocą elektroencefalografii (EEG).

Aby dodatkowo sprawdzić, czy nanosensory są zdolne do pomiaru K+ w wielu podregionach mózgu u myszy żyjących w swobodnym ruchu, naukowcy wstrzyknęli nanosensory w trzy różne miejsca mózgu myszy: hipokamp, migdał i kora mózgowa. Po stymulacji elektrycznej w hipokampie jednocześnie rejestrowano EEG i odpowiedzi optyczne nanosensorów w wstrzykiwanych miejscach. Co ciekawe, zewnętrzne stężenie K+ wzrasta od hipokampu do migdałków i kory mózgowej w czasie w napadach ogniskowych, podczas gdy wzrasta prawie jednocześnie w trzech regionach mózgu w napadach uogólnionych. Wyniki te są zgodne z powszechnie przyjętym poglądem, że stymulacja elektryczna w hipokampie najpierw obejmuje sąsiedni obszar mózgu, a następnie rozprzestrzenia się w całym mózgu.

Hyeon Taeghwan, dyrektor IBS Center for Nanoparticle Research (Distinguished Professor at Seoul National University) i czołowy autor badania zauważa: "Dalszy rozwój tych nanosensorów mógłby ułatwić diagnozę i terapię, zmniejszając potrzebę operacji. Najlepiej byłoby, gdyby te nanosensory zawierały również leki przeciwpadaczkowe, które miałyby być uwalniane we właściwych miejscach mózgu, w których powstały napady".

Wróć na stronę główną