Нови сензори позволяват прецизно измерване на допамин

Резюме: Нови сензори, направени от модифицирани въглеродни нанотръби, могат да визуализират освобождаването на допамин от неврони с безпрецедентна разделителна способност.

Източник: рубли

Допаминът е важна сигнална молекула за нервните клетки. Досега концентрацията му не можеше да бъде точно определена както с висока пространствена, така и с времева разделителна способност. Нов метод вече направи това възможно.

Изследователски екип от Бохум, Гьотинген и Дуисбург използва модифицирани въглеродни нанотръби, които светят по-ярко в присъствието на носителя на веществото допамин. Тези сензори визуализират освобождаването на допамин от нервните клетки с безпрецедентна разделителна способност.

Изследователите, ръководени от професор Себастиан Крус от катедрата по физическа химия в Ruhr-Universität Bochum (RUB) и д-р. Джеймс Даниел, както и професор Нилс Броуз от Института за мултидисциплинарни науки Макс Планк в Гьотинген докладват за това в списанието PNAS от 25 май 2022г.

Промени в флуоресценцията в присъствието на допамин

Невротрансмитерът допамин контролира мозъчния център за възнаграждение, наред с други неща. Ако това предаване на сигнала вече не функционира, това може да доведе до нарушения като болестта на Паркинсон. Освен това химическите сигнали се променят от наркотици като кокаин и играят роля при нарушения на злоупотребата с вещества.

„Досега обаче нямаше метод, който да визуализира едновременно допаминовите сигнали с висока пространствена и времева разделителна способност“, обяснява Себастиан Крус, ръководител на групата за функционални интерфейси и биосистеми в RUB и член на Ruhr Explores Solvation Cluster of Excellence ( RESOLV) и Международното висше училище по невронауки (IGSN).

Тук влизат в действие новите сензори. Те са базирани на ултра тънки въглеродни тръби, около 10 000 пъти по-тънки от човешка коса. Когато са облъчени с видима светлина, те светят в близкия инфрачервен диапазон с дължини на вълната от 1000 нанометра и повече.

„Този ​​диапазон от светлина не е видим за човешкото око, но може да проникне по-дълбоко в тъканите и по този начин да осигури по-добри и по-резки изображения от видимата светлина“, казва Крус. Освен това има много по-малко фонови сигнали в този диапазон, които могат да изкривят резултата.

„Систематично модифицирахме това свойство чрез свързване на различни последователности на къси нуклеинови киселини към въглеродни нанотръби по такъв начин, че те променят своята флуоресценция, когато влязат в контакт с определени молекули“, обяснява Себастиан Крус.

Ето как неговата изследователска група е успяла да превърне въглеродните нанотръби в малки наносензори, които специфично се свързват с допамин и флуоресцират повече или по-малко силно в зависимост от концентрацията на допамин.

„Веднага разбрахме, че такива сензори биха били интересни за невробиологията“, казва Крус.

Покриване на здрави нервни клетки със сензорен слой

За да направите това, сензорите трябва да бъдат преместени в близост до функциониращи невронни мрежи. д-р София Елизарова и Джеймс Даниел от Института за мултидисциплинарни науки Макс Планк в Гьотинген разработиха условия за клетъчна култура за това, при които нервните клетки остават здрави и могат да бъдат покрити с изключително тънък слой сензори.

Невротрансмитерът допамин контролира мозъчния център за възнаграждение, наред с други неща. Изображението е публично достояние

Това позволи на изследователите да визуализират отделни събития на освобождаване на допамин по протежение на невронните структури за първи път и да получат представа за механизмите на освобождаване на допамин.

Крус, Елизарова и Даниел са уверени, че новите сензори имат огромен потенциал: „Те дават нова представа за пластичността и регулирането на допаминовите сигнали“, казва София Ейзарова.

“В дългосрочен план те биха могли също да улеснят напредъка в лечението на заболявания като Паркинсон.” Освен това в момента се разработват допълнителни сензори, с които други сигнални молекули могат да бъдат направени видими, например за идентифициране на патогени.

Партньори за сътрудничество

Изследването е проведено от изследователи от Физическа химия II в Ruhr-Universität Bochum и Института за мултидисциплинарни науки Макс Планк в Гьотинген, екипи от Института по физична химия в Гьотингенския университет, Центъра за интегративна физиология и молекулярна медицина в университета Саарланд и Фраунхофер институт за микроелектронни схеми и системи в Дуйсбург.

Вижте също

Това показва чаша вода

За тази новина за изследване на невротехнологиите и допамина

автор: Майке Дрисен
Източник: рубли
контакт: Майке Дрисен – RUB
Образ: Изображението е обществено достояние

Оригинално изследване: Затворен достъп.
Флуоресцентна наносензорна боя разкрива хетерогенността на освобождаването на допамин от неврони на отделни места на освобождаване”От Себастиан Крус и др. PNAS


абстрактно

Флуоресцентна наносензорна боя разкрива хетерогенността на освобождаването на допамин от неврони на отделни места на освобождаване

Невротрансмитерът допамин (DA) контролира множество поведения и се смущава при няколко основни мозъчни заболявания. DA се освобождава от големи популации от специализирани структури, наречени варикози на аксони. Определянето на механизмите на освобождаване на DA при такива варикози е от съществено значение за подробното разбиране на биологията и патобиологията на DA, но е ограничено от ниската пространствена разделителна способност на методите за откриване на DA.

Използвахме почти инфрачервена флуоресцентна DA наносензорна боя, адсорбирани наносензори, откриващи освобождаването на допамин (AndromeDA), за откриване на DA секреция от култивирани миши допаминергични неврони с висока пространствена и времева разделителна способност.

Открихме, че AndromeDA открива отделни събития на освобождаване на DA и извънклетъчна дифузия на DA и наблюдавахме, че освобождаването на DA варира в зависимост от варикозите. За систематично откриване на горещи точки за освобождаване на DA, ние разработихме инструмент за анализ, базиран на машинно обучение.

AndromeDA позволява едновременна визуализация на освобождаването на DA за до 100 допаминергични варикози, което показва, че горещите точки на освобождаване на DA са хетерогенни и се срещат само при ~17% от всички варикози, което показва, че много варикози са функционално тихи.

Използвайки AndromeDA, ние установихме, че освобождаването на DA изисква първични протеини от везикули тип Munc13, потвърждавайки полезността на AndromeDA като инструмент за изследване на молекулярния и клетъчния механизъм на секрецията на DA.