Ontwikkeling van nanoprobes om neurotransmitters in de hersenen te detecteren

Het dierenbrein bestaat uit tientallen miljarden neuronen of zenuwcellen die complexe taken uitvoeren zoals het verwerken van emoties, leren en oordelen door met elkaar te communiceren via neurotransmitters. Deze kleine signaalmoleculen diffunderen – verplaatsen zich van hoge naar lage concentratiegebieden – tussen neuronen en werken als chemische boodschappers.

Wetenschappers geloven dat deze diffuse beweging de kern zou kunnen zijn van de superieure functie van de hersenen. Daarom hebben ze geprobeerd de rol van specifieke neurotransmitters te begrijpen door hun afgifte in de hersenen te detecteren met behulp van amperometrische en microdialysemethoden. Deze methoden bieden echter onvoldoende informatie, waardoor betere detectietechnieken nodig zijn.

Daartoe ontwikkelden wetenschappers een optische beeldvormingsmethode waarbij eiwitsondes hun fluorescentie-intensiteit veranderen bij het detecteren van een specifieke neurotransmitter. Onlangs heeft een groep onderzoekers van het Shibaura Institute of Technology in Japan onder leiding van professor Yasuo Yoshimi dit idee verder uitgewerkt. Ze hebben met succes fluorescerende moleculair bedrukte polymere nanodeeltjes (fMIP-NP’s) gesynthetiseerd die dienen als sondes om specifieke neurotransmitters te detecteren: serotonine, dopamine en acetylcholine.

Met name het ontwikkelen van dergelijke sondes werd tot nu toe als moeilijk beschouwd. Hun werk, gepubliceerd in Nanomaterialenomvat bijdragen van de heer Yuto Katsumata, de heer Naoya Osawa, de heer Neo Ogishita en de heer Ryota Kadoya.

Prof. Yoshimi legt in het kort de grondbeginselen van fMIP-NP-synthese uit: “Het omvat meerdere stappen. Eerst wordt de doel-neurotransmitter die moet worden gedetecteerd, gefixeerd op een oppervlak van glasparels. Vervolgens worden monomeren (bouwstenen van polymeren) met verschillende functies – detectie, verknoping en fluorescentie polymeriseren rond de bolletjes, waarbij de neurotransmitter wordt omhuld. Het resulterende polymeer wordt vervolgens uitgewassen om een ​​nanodeeltje te verkrijgen met de neurotransmitterstructuur als een holte bedrukt. Het past alleen op de beoogde neurotransmitter, net als alleen een bepaalde sleutel kan een slot openen. Daarom kunnen fMIP-NP’s hun overeenkomstige neurotransmitters in de hersenen detecteren. ”

Wanneer de doelwit-neurotransmitters in de holte passen, zwellen de fMIP-NP’s op en worden ze groter. De onderzoekers suggereren dat dit de afstand tussen de fluorescerende monomeren vergroot, wat op zijn beurt hun interacties vermindert, inclusief zelfdoving die fluorescentie onderdrukt, met elkaar. Als gevolg hiervan wordt de fluorescentie-intensiteit verhoogd, wat wijst op de aanwezigheid van de neurotransmitters.

De onderzoekers verbeterden hun selectiviteit van de detectie door de neurotransmitterdichtheid op het oppervlak van de glasparels aan te passen tijdens fMIP-NP-synthese.

Bovendien bleek de materiaalkeuze voor het fixeren van de neurotransmitters een cruciale rol te spelen in de detectiespecificiteit. De onderzoekers ontdekten dat gemengd silaan beter is dan puur silaan voor het hechten van de neurotransmitters, serotonine en dopamine, aan het glaspareloppervlak. De fMIP-NP’s gesynthetiseerd met behulp van gemengd silaan, detecteerden specifiek serotonine en dopamine.

Die gesynthetiseerd met pure silaan resulteerden daarentegen in niet-specifieke fMIP-NP’s die reageerden op niet-doelwit-neurotransmitters, waardoor ze ten onrechte werden geïdentificeerd als serotonine en dopamine. Evenzo poly([2-(methacryloyloxy)ethyl] trimethylammoniumchloride (METMAC)-co-methacrylamide) maar niet METMAC-homopolymeer bleek een effectieve dummy-template te zijn van de neurotransmitter acetylcholine. Terwijl de eerste fMIP-NP’s produceerde die selectief acetylcholine detecteerden, leidde de laatste tot niet-reagerende nanodeeltjes.

Deze resultaten tonen de haalbaarheid aan van fMIP-NP’s bij de selectieve detectie van neurotransmitters die vrijkomen in onze hersenen. “Het in beeld brengen van de hersenen met deze nieuwe techniek zou de relatie tussen de diffusie van neurotransmitters en hersenactiviteit kunnen onthullen. Dit kan ons op zijn beurt helpen neurologische ziekten te behandelen en zelfs geavanceerde computers te maken die menselijke hersenfuncties nabootsen”, zei professor Yoshimi.