Nieuwe nanosensor is veelbelovend voor het diagnosticeren en behandelen van neurologische aandoeningen

Elke beweging in het menselijk lichaam – van het opheffen van onze armen tot ons kloppende hart – wordt op de een of andere manier gereguleerd door signalen van onze hersenen. Tot voor kort volgden en begrepen wetenschappers die communicatie tussen hersenen en lichaam pas achteraf, een soort van luisteren naar een voicemail in plaats van een gesprek voeren.

Maar onderzoekers van Northeastern hebben een nieuw type nanosensor ontwikkeld waarmee wetenschappers de communicatie tussen de hersenen en het lichaam in realtime kunnen afbeelden. Ze kunnen nu meeluisteren met het gesprek.

Heather Clark, hoogleraar bio-engineering en scheikunde aan Northeastern, en James Monaghan, universitair hoofddocent biologie, ontwikkelden samen met collega’s bij Northeastern en onderzoekers van de University of California, San Francisco, een op DNA gebaseerde nanosensor die een specifieke neurotransmitter, acetylcholine, detecteert. zoals het wordt vrijgegeven en opgepikt door doelcellen in levende dieren. Ze publiceerden hun bevindingen in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences deze maand.

“Voor het begrijpen van de relatie tussen de hersenen en het lichaam is het van cruciaal belang om te begrijpen wanneer de zenuwen communiceren – wanneer ze bijvoorbeeld signalen afgeven om de hartslag te versnellen of te vertragen”, zegt Monaghan.

Het begrijpen van deze communicatie is vooral belangrijk als er een storing is. Ziekten zoals de ziekte van Parkinson zijn het gevolg van de degeneratie van zenuwcellen en de verbroken communicatie tussen de hersenen en het lichaam.

Een snelgroeiend gebied van de geneeskunde dat bekend staat als bio-elektronische geneeskunde, probeert zeer specifieke zenuwstimulatie te gebruiken om neurologische aandoeningen te behandelen. Om de zenuwen precies te kunnen richten, moeten wetenschappers weten hoe ze in realtime en in levende organismen reageren – de nanosensor van Clark en Monaghan vertegenwoordigt een stap in die richting.

“Als je zenuwstimulatie als medicijn gaat gebruiken, moet je kunnen aflezen hoeveel stimulus je hebt gegeven”, zegt Monaghan. “De chemie en innovatie van Dr. Clark op dit gebied van sensorontwikkeling zouden die uitlezing mogelijk maken voor de neurotransmitter acetylcholine.”

De nanosensor bestaat uit een fluorescerende component die oplicht in de aanwezigheid van acetylcholine en in realtime in levende muizen kan worden gezien. Het is net alsof je iemands mobiele telefoon ziet oplichten tijdens een telefoongesprek, maar dan op moleculair niveau.

Bestaande tools zoals micro-elektroden en microdialyse stellen wetenschappers in staat acetylcholine in het centrale zenuwstelsel te detecteren, maar schieten tekort als het gaat om het perifere zenuwstelsel, dat alles is buiten de hersenen en het ruggenmerg.

Clark, Monaghan en hun collega’s gebruikten krachtige microscopen in Northeastern om de fluorescerende markeringen te zien oplichten terwijl de neurotransmitter werd geactiveerd in hun experimenten.

De ontwikkeling van deze nanosensor is echter nog maar het begin en de onderzoekers hopen in de toekomst nog sterkere sensoren te maken.

Clark en Monaghan verwachten ook dat de geavanceerde beeldvormingsinstrumenten die ze hebben gebruikt om deze nanosensor te ontwikkelen, zullen worden gebruikt door andere wetenschappers in Northeastern en daarbuiten. Ze leiden het Institute for the Chemical Imaging of Living Systems, een nieuwe organisatie aan de universiteit waar onderzoekers gebruik kunnen maken van vijf ultramoderne microscopen in het Interdisciplinary Science and Engineering Complex.

“Dit is een set tools die onderzoekers kunnen gebruiken om fundamentele vragen over biochemische signalering in het lichaam te beantwoorden”, zegt Clark. “Als wetenschapper vind ik het geweldig om nieuwe tools te ontwikkelen en het soort interdisciplinair onderzoek te stimuleren dat een echte impact kan hebben in de wereld.”