Entwicklung von Nanosonden zum Nachweis von Neurotransmittern im Gehirn

Das tierische Gehirn besteht aus mehreren zehn Milliarden Neuronen oder Nervenzellen, die komplexe Aufgaben wie die Verarbeitung von Emotionen, das Lernen und das Fällen von Urteilen erfüllen, indem sie über Neurotransmitter miteinander kommunizieren. Diese kleinen Signalmoleküle diffundieren – bewegen sich von Regionen mit hoher zu niedriger Konzentration – zwischen Neuronen und wirken als chemische Botenstoffe.

Wissenschaftler glauben, dass diese Diffusionsbewegung das Herzstück der überlegenen Funktion des Gehirns sein könnte. Daher haben sie sich zum Ziel gesetzt, die Rolle spezifischer Neurotransmitter zu verstehen, indem sie ihre Freisetzung im Gehirn mit amperometrischen und Mikrodialyse-Methoden nachweisen. Diese Methoden liefern jedoch unzureichende Informationen, was bessere Erfassungstechniken erforderlich macht.

Zu diesem Zweck entwickelten die Wissenschaftler ein optisches Bildgebungsverfahren, bei dem Proteinsonden ihre Fluoreszenzintensität beim Nachweis eines bestimmten Neurotransmitters ändern. Kürzlich hat eine Gruppe von Forschern des Shibaura Institute of Technology in Japan unter der Leitung von Professor Yasuo Yoshimi diese Idee weiterentwickelt. Sie haben erfolgreich fluoreszierende molekular geprägte polymere Nanopartikel (fMIP-NPs) synthetisiert, die als Sonden zum Nachweis spezifischer Neurotransmitter – Serotonin, Dopamin und Acetylcholin – dienen.

Insbesondere die Entwicklung solcher Sonden galt bisher als schwierig. Ihre Arbeit, veröffentlicht in Nanomaterialienumfasst Beiträge von Herrn Yuto Katsumata, Herrn Naoya Osawa, Herrn Neo Ogishita und Herrn Ryota Kadoya.

Prof. Yoshimi erklärt kurz die Grundlagen der fMIP-NP-Synthese: „Sie umfasst mehrere Schritte. Zuerst wird der nachzuweisende Ziel-Neurotransmitter auf einer Glasperlenoberfläche fixiert. Als nächstes werden Monomere (Bausteine ​​von Polymeren) mit unterschiedlichen Funktionen – Detektion, Vernetzung und Fluoreszenz – polymerisieren um die Kügelchen herum und umhüllen den Neurotransmitter.Das resultierende Polymer wird dann ausgewaschen, um ein Nanopartikel mit der als Hohlraum eingeprägten Neurotransmitterstruktur zu erhalten.Es passt nur auf den Zielneurotransmitter, genau wie nur auf einen bestimmten Schlüssel kann ein Schloss öffnen. Daher können fMIP-NPs ihre entsprechenden Neurotransmitter im Gehirn erkennen.“

Wenn die Zielneurotransmitter in den Hohlraum passen, schwellen die fMIP-NPs an und werden größer. Die Forscher schlagen vor, dass dies den Abstand zwischen den fluoreszierenden Monomeren vergrößert, was wiederum ihre Wechselwirkungen, einschließlich der Selbstlöschung, die die Fluoreszenz unterdrückt, miteinander verringert. Dadurch wird die Fluoreszenzintensität verstärkt, was auf das Vorhandensein der Neurotransmitter hinweist.

Die Forscher verbesserten ihre Selektivität des Nachweises, indem sie die Neurotransmitterdichte auf der Oberfläche der Glasperlen während der fMIP-NP-Synthese anpassten.

Zusätzlich wurde festgestellt, dass die Wahl des Materials zur Fixierung der Neurotransmitter eine entscheidende Rolle bei der Nachweisspezifität spielt. Die Forscher fanden heraus, dass gemischtes Silan die Neurotransmitter Serotonin und Dopamin besser an die Glasperlenoberfläche bindet als reines Silan. Die unter Verwendung von gemischtem Silan synthetisierten fMIP-NPs detektierten spezifisch Serotonin und Dopamin.

Im Gegensatz dazu führten diejenigen, die unter Verwendung von reinem Silan synthetisiert wurden, zu unspezifischen fMIP-NPs, die auf Nicht-Ziel-Neurotransmitter reagierten und sie fälschlicherweise als Serotonin und Dopamin identifizierten. Ebenso poly([2-(methacryloyloxy)ethyl] Trimethylammoniumchlorid (METMAC)-Co-Methacrylamid), aber nicht das METMAC-Homopolymer, erwies sich als wirksame Dummy-Matrize des Neurotransmitters Acetylcholin. Während Ersteres fMIP-NPs produzierte, die Acetylcholin selektiv nachweisten, führte Letzteres zu nicht reagierenden Nanopartikeln.

Diese Ergebnisse zeigen die Machbarkeit von fMIP-NPs beim selektiven Nachweis von Neurotransmittern, die in unserem Gehirn freigesetzt werden. „Die Bildgebung des Gehirns mit dieser neuen Technik könnte die Beziehung zwischen der Diffusion von Neurotransmittern und der Gehirnaktivität aufdecken. Dies wiederum kann uns helfen, neurologische Erkrankungen zu behandeln und sogar fortschrittliche Computer zu entwickeln, die menschliche Gehirnfunktionen nachahmen“, sagte Professor Yoshimi.