Følsomme og specifikke kaliumnanosensorer til påvisning af epileptiske anfald

Forskere ved Center for Nanopartikelforskning, inden for Institute for Basic Science (IBS, Sydkorea) i samarbejde med samarbejdspartnere ved Zhejiang University, Kina, har rapporteret en meget følsom og specifik nanosensor, der kan overvåge dynamiske ændringer af kaliumioner hos mus, der gennemgår epileptiske anfald, angiver deres intensitet og oprindelse i hjernen.

Epilepsi er en lidelse i centralnervesystemet ledsaget af unormal hjerneaktivitet, forårsager anfald eller perioder med usædvanlig adfærd, fornemmelser, og nogle gange tab af bevidsthed. Hvis epileptiske anfald varer i 30 minutter eller længere, de kan forårsage permanent hjerneskade eller endda død. Behovet for teknologier til at evaluere graden af ​​unormal elektrisk aktivitet forbundet med epilepsi er velkendt.

Et af de vigtigste undersøgelsesmål er kalium (K ⁺ ) ion. Denne ion påvirker forskellen i elektrisk potentiale mellem de indre og ydre membraner i neuronerne, og påvirker den neuronale iboende excitabilitet og synaptiske transmission. På trods af de betydelige bestræbelser på at forbedre selektiviteten af ​​K ⁺ sensorer, de er stadig langt fra tilfredsstillende, fordi optiske journalister i øjeblikket ikke er i stand til at registrere små ændringer i kaliumioner, i særdeleshed, i frit bevægelige dyr. Desuden, de er modtagelige for interferens fra natriumioner, fordi Na+ -tilstrømning kort efterfølges af K ⁺ udstrømning, når impulser passerer langs en nervecelles membran. I denne undersøgelse offentliggjort i Naturnanoteknologi , forskerne rapporterer en meget følsom og selektiv K ⁺ nanosensor, der kan overvåge ændringerne af K ⁺ i de forskellige dele af hjernen på frit bevægelige mus.

Den nye nanosensor er skabt med porøse silica-nanopartikler afskærmet med en ultratynd kaliumpermeabel membran, der meget ligner kaliumkanalen i hjerneceller. Størrelsen af ​​porerne tillader kun K ⁺ at sprede sig ind og ud, når en detektionsgrænse så lav som 1,3 mikromolar. Dette tillader den specifikke aflæsning af sub-millimolære variationer af ekstracellulær K ⁺ og den rumlige kortlægning af denne ion i hjernen.

Denne undersøgelse viste med succes, at K ⁺ -gennemtrængeligt membranfilter på nanosensoren er effektivt til at filtrere andre kationer ud og fange K ⁺ ioner udelukkende. En sådan nanosensor -konstruktionsstrategi ville ikke kun bidrage til videnskabelige opdagelser og gennembrud inden for neurovidenskabelig forskning, men også til udviklingen af ​​andre selektive ionsensorer.

Brug af disse nanosensorer i hippocampus CA3 -regionen, teamet var i stand til at rapportere graden af ​​epileptiske anfald hos levende mus og sammenligne det med registreringer af neural aktivitet udført med elektroencefalografi (EEG).

For yderligere at kontrollere, om nanosensorerne er i stand til at måle K ⁺ i flere underregioner i hjernen i frit bevægelige mus, forskerne injicerede nanosensorerne på tre forskellige steder i musens hjerner:hippocampus, amygdala, og cortex. Efter den elektriske stimulering ved hippocampus, EEG og optiske reaktioner fra nanosensorerne på de injicerede steder blev registreret samtidigt. Interessant nok, den eksterne K ⁺ koncentration stiger fra hippocampus til amygdala og cortex over tid ved fokale anfald, mens det stiger næsten samtidigt i de tre hjerneområder ved generaliserede anfald. Disse resultater er i god overensstemmelse med den bredt accepterede opfattelse, at elektrisk stimulering i hippocampus først involverer det tilstødende hjerneområde og derefter formerer sig gennem hele hjernen.

Hyeon Taeghwan, direktør for IBS Center for Nanoparticle Research (Distinguished Professor ved Seoul National University) og førende forfatter til undersøgelsesnotaterne, "Videreudvikling af disse nanosensorer kunne lette diagnose og terapi, reducere behovet for operation. Ideelt set, Disse nanosensorer kunne også bære antiepileptika til at blive frigivet i de rigtige punkter i hjernen, hvor anfald opstod. "