Nanobuisjes als optische stopwatch voor de detectie van neurotransmitters

Koolstofnanobuisjes schijnen niet alleen helderder in aanwezigheid van dopamine, maar ook langer. De tijdsperiode van het schijnen dient als een nieuwe parameter om biologische boodschappersubstanties te detecteren.

Een interdisciplinair onderzoeksteam uit Bochum en Duisburg heeft een nieuwe manier gevonden om de belangrijke neurotransmitter dopamine in de hersenen te detecteren. De onderzoekers gebruikten hiervoor koolstofnanobuisjes. In eerdere studies had het team onder leiding van professor Sebastian Kruss al aangetoond dat de buisjes helderder gloeien in aanwezigheid van dopamine. Nu liet de interdisciplinaire groep zien dat ook de duur van de gloed verandert.

“Dit is de eerste keer dat zo’n belangrijke boodschappersubstantie als dopamine op deze manier is gedetecteerd”, zegt Sebastian Kruss. “We zijn ervan overtuigd dat dit een nieuw platform zal openen dat ook een betere detectie van andere menselijke boodschappersubstanties zoals serotonine mogelijk zal maken.” Het werk was een samenwerking tussen de twee onderzoeksgroepen van Kruss in fysische chemie aan de Ruhr Universiteit in Bochum, Duitsland, en het Fraunhofer Instituut voor Micro-elektronische Circuits en Systemen (IMS).

De resultaten worden beschreven door een team rond Linda Sistemic en Sebastian Kruss van de Ruhr Universiteit Bochum samen met collega’s van het IMS en de Universiteit van Duisburg-Essen in het tijdschrift Angewandte Chemie International Editiononline gepubliceerd op 9 maart 2023.

Met dopamine schijnen de nanobuisjes helderder en langer

De gebruikte sensoren zijn buizen van koolstof die 100.000 keer dunner zijn dan een mensenhaar. Als ze worden bestraald met zichtbaar licht, kunnen ze zelfs licht uitstralen in het nabij-infraroodbereik, met een golflengte van 1000 nanometer, dat voor mensen niet zichtbaar is.

Eerdere studies onder leiding van Sebastian Kruss hadden aangetoond dat bepaalde koolstofnanobuisjes gemodificeerd met biopolymeren helderder gloeien wanneer ze in contact komen met bepaalde biomoleculen zoals dopamine. In de nieuwe studie observeerden de onderzoekers hoe lang het duurt voordat de nanobuisjes dit licht uitzenden in het nabij-infrarood. Om dit te doen, observeerden de onderzoekers het uitgezonden licht als individuele lichtdeeltjes.

Met behulp van een stopwatch registreerden ze de tijd die de lichtdeeltjes nodig hadden om te reizen vanaf het moment dat de nanobuis werd bestraald tot het moment dat de lichtdeeltjes door de nanobuis werden vrijgegeven. “We hebben speciale stopwatches nodig om zo’n tijdspanne te meten, omdat de emissie van licht 100 miljoen keer sneller is dan het knipperen van een menselijk oog”, verduidelijkt Linda Sistemic.

Deze zogenaamde levensduur van licht is kenmerkend voor verschillende stoffen en vertegenwoordigt een robuuster signaal in vergelijking met helderheid. Hoewel de helderheid afhangt van hoeveel lagen cellen het licht moet passeren voordat het kan worden gemeten, heeft dit geen invloed op de levensduur van het licht. Omdat elk individueel lichtdeeltje de informatie over de levensduur draagt, is elk gemeten deeltje een toename in informatie, ongeacht hoeveel deeltjes er worden gemeten.

“Dit is vooral voordelig als je, zoals wij, niet alleen meet in eenvoudige waterige oplossingen, maar ook in gecompliceerde omgevingen zoals in celkweek of in het organisme zelf”, legt Sebastian Kruss uit, hoofd van de groep Functional Interfaces and Biosystems bij Ruhr. University en is lid van het Cluster of Excellence Ruhr Explores Solvation (RESOLV) en de International Graduate School of Neuroscience. In dit werk werd de afgifte van dopamine uit afzonderlijke cellen geregistreerd. De methode is echter ook toepasbaar op netwerken van cellen of organismen.

De gedetecteerde dopamine is een belangrijke boodschappersubstantie in het menselijk brein waardoor de cellen met elkaar communiceren. Dopamine regelt niet alleen het beloningscentrum, maar is ook de drijvende kracht voor beweging, coördinatie, concentratie en mentale prestaties. Als er te weinig dopamine vrijkomt, kunnen er bewegingsstoornissen en een afnemend geheugen optreden, symptomen die bijvoorbeeld voorkomen bij de ziekte van Parkinson.