Elektrochemische Serotonin-Mikrosensoren zur stabilen Langzeitmessung in Echtzeit

Eine Dysregulation von Serotonin spielt bei vielen psychiatrischen Erkrankungen eine Rolle, einschließlich schwerer Depressionen und Angstzustände. Im Tagebuch Internationale Ausgabe der Angewandten Chemiehat ein Forschungsteam nun einen implantierbaren, elektrochemischen Mikrosensor vorgestellt, der es ermöglicht, die Serotonin-Dynamik im Gehirn in Echtzeit zu untersuchen. Im Gegensatz zu bisherigen Sensoren werden diese nicht durch Ablagerung von Serotonin-Oxidationsprodukten deaktiviert, da die Messung ohne Stromfluss erfolgt.

Serotonin, auch als „Glückshormon“ bekannt, ist einer unserer wichtigsten Neurotransmitter, der viele Prozesse in unserem Gehirn reguliert, insbesondere unsere Gefühle, aber auch Appetit, Gedächtnis und Schlaf. Ein besseres Verständnis dieser Prozesse auf molekularer Ebene könnte die Diagnose und Behandlung psychischer Erkrankungen verbessern.

Bisherige elektrochemische Verfahren arbeiteten mit einer Mikroelektrode, an der Serotonin direkt oxidiert und der dabei entstehende Strom gemessen wird. Die entstehenden Oxidationsprodukte polymerisieren jedoch, haften an der Elektrodenoberfläche (Fouling) und deaktivieren den Sensor schnell (ca. 90 % Signalverlust innerhalb von 30 Minuten).

Ein Team um Ying Jiang und Lanqun Mao von der Beijing Normal University und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (Peking, China) hat nun einen Serotoninsensor entwickelt, der auch bei Langzeitexperimenten äußerst stabile Signale liefert, weil nahezu kein Fouling durch Serotonin auftritt Oligomere auftreten. Das Verfahren basiert auf der galvanischen Redoxpotentiometrie (GRP), einer stromlosen Technik.

Das Herzstück des Sensors ist eine winzige bipolare Elektrode, die sich vereinfacht als Stab beschreiben lässt, der mit einem Ende in die Messflüssigkeit ragt und mit dem anderen in einer Elektrolytlösung mit genau auf das Analytmolekül abgestimmten elektrochemischen Eigenschaften steckt.

Ein elektrischer Kontakt wird ausschließlich über die Elektrolytlösung hergestellt. An einem Ende der Elektrode stellt sich ein elektrochemisches Gleichgewicht zwischen Elektrolytionen in verschiedenen Ladungszuständen ein (hier: IrCl62–/IrCl63–), am anderen Ende besteht ein Gleichgewicht zwischen Serotonin und seiner oxidierten Form. Durch die Verwendung eines Spannungsmessgerätes ist es möglich, die sich spontan einstellende Potentialdifferenz gegenüber einer Referenzelektrode zu messen.

Dieser Unterschied ist abhängig von der Serotoninkonzentration. Da nur die Spannung gemessen wird und kein Strom fließt, kommt es praktisch zu keiner Ablagerung von oligomeren Serotoninprodukten. Quantitative Messungen sind über einen weiten Konzentrationsbereich und über einen langen Zeitraum möglich.

In das Gehirn von Meerschweinchen implantierte Sensoren konnten die Freisetzung von Serotonin nach Stimulation mit Kaliumionen in Echtzeit verfolgen. Das Team machte eine interessante Beobachtung nach der Verabreichung von Escitalopram, einem Serotonin-Wiederaufnahmehemmer, der oft zur Behandlung schwerer Depressionen und Angststörungen verschrieben wird. Seine Aktivität scheint stärker von der Verlangsamung des Aufnahmeprozesses als von der Modulation der extrazellulären Serotoninkonzentration abzuhängen. Diese Erkenntnis könnte für die Behandlung psychiatrischer Erkrankungen wichtig sein.