Nieuwe nanosensor geeft ongekende kijk op dopamine-afgifte

Astronomen bouwen nieuwe telescopen en kijken naar de nachtelijke hemel om te zien wat ze zouden kunnen vinden. Janelia Group Leader Abraham Beyene hanteert een vergelijkbare benadering als hij kijkt naar de cellen waaruit het menselijk brein bestaat.

Beyene en zijn team ontwerpen en synthetiseren nieuwe soorten zeer gevoelige biosensoren die ze gebruiken om naar neuronen te kijken om te zien wat ze kunnen leren.

“Je hebt deze nieuwe tool die ons nu helpt om het soort metingen te doen dat we nooit eerder hebben kunnen doen, en we gaan naar het laboratorium en implementeren deze technologie en we zien wat er gebeurt”, zegt Beyene. “Wat je ziet, is dat er een aantal echt interessante verschijnselen opduiken waar je nog niet eens over na hebt gedacht.”

Beyene en zijn team gebruiken deze aanpak met hun nieuwe synthetische nanosensor die is ontworpen om dopamine-afgifte over hele neuronen vast te leggen met subcellulaire resolutie. De biosensor is bevestigd aan een 2D-nanofilm, DopaFilm genaamd, en neuronen worden vervolgens bovenop de film gekweekt. Wanneer de neuronen de neurotransmitter dopamine afgeven, valt de chemische stof op de film, waardoor deze helderder wordt. Het team gebruikt vervolgens een op maat gemaakte microscoop om deze verheldering vast te leggen, waardoor ze de afgifte van dopamine uit elk deel van het neuron kunnen visualiseren en films kunnen maken om de chemicaliën vast te leggen wanneer ze vrijkomen en naar buiten diffunderen.

Neurotransmitters die signalen tussen neuronen verzenden, worden meestal afgegeven door axonen, de lange keten die van de soma of het cellichaam van de neuron komt. Maar sommige neurotransmitters, zoals dopamine, komen ook vrij uit de soma en zijn dendrieten – de boomachtige structuren die eruit stralen. Terwijl eerder onderzoek aantoonde dat dopamine vrijkomt uit de soma en dendrieten, konden traditionele methoden niet goed genoeg kijken naar waar of hoe dit gebeurde.

Traditionele biosensoren gebruiken eiwitten die gericht zijn op het buitenmembraan van een neuron, waardoor wetenschappers alleen kunnen observeren wat er op specifieke punten op de cel gebeurt. Maar de nanosensor van Beyene is geïmmobiliseerd over een 2D-oppervlak, waardoor het de afgifte van neurochemicaliën over een heel neuron kan registreren. De sensor is ook extreem gevoelig voor dopamine, waardoor hij zelfs het kleinste beetje chemisch signaal van de cellen kan detecteren.

Dankzij deze kenmerken kon het team de afgifte van dopamine in ongekend detail vastleggen. De nieuwe techniek stelt hen in staat om hoge-resolutiebeelden te verkrijgen van de afgifte van dopamine uit axonen en voor het eerst de afgifte van deze belangrijke neurotransmitter van specifieke locaties op dendrieten te zien.

Hun werk, gerapporteerd in een nieuw artikel gepubliceerd in eLifegeeft wetenschappers een nieuwe kijk op de afgifte van dopamine uit dendrieten, en suggereert dat deze structuren een grotere rol kunnen spelen in hersenberekeningen dan eerder werd gedacht.

“We zijn in staat om films te maken waarin we de volledige ruimtelijke en temporele omvang van chemicaliën vastleggen terwijl ze vrijkomen en diffuus worden, wat nog nooit eerder is gedaan. En toen hebben we gebruik gemaakt van dat vermogen om de dendritische afgifte van dopamine te bestuderen, die heeft niet volledig gekarakteriseerd en goed begrepen”, zegt Beyene.

Hoewel het nieuwe werk enkele vragen beantwoordt, roept het ook nieuwe op, zoals waarom sommige dendrieten dopamine afgeven terwijl andere zwijgen, zegt Beyene. Hij hoopt dat hun bevindingen aanleiding geven tot nieuwe onderzoeken door neurowetenschappers naar dopamine-neuronen in de hersenen.

“Omdat de meeste tools moeite hebben om een ​​goede meting en visualisatie van de afgifte van dendrieten te geven, is de potentiële rol van dendritische dopamine-afgifte in de grotere berekening die dopamine-neuronen ondernemen niet volledig onderzocht. Hopelijk zal deze studie de aanzet geven voor onderzoekers om te nemen een tweede blik”, zegt Beyene.