Высокочувствительные и специфичные наносенсоры калия для обнаружения эпилептических приступов

Исследователи из Центра наночастичных исследований Института фундаментальных наук (IBS, Южная Корея) совместно с коллегами из Чжэцзянского университета (Китай) создали высокочувствительный и специфичный наносенсор, способный отслеживать динамические изменения концентрации ионов калия (K⁺) у мышей во время эпилептических приступов, что позволяет определить их интенсивность и источник в мозге.

Эпилепсия — это расстройство центральной нервной системы, сопровождающееся аномальной активностью мозга, вызывающей судороги, необычные ощущения и иногда потерю сознания. Приступы, длящиеся 30 минут и более, могут привести к необратимому повреждению мозга или смерти. Существует потребность в технологиях для оценки степени аномальной электрической активности.

Одной из главных мишеней для исследования является ион калия (K⁺). Он влияет на разность электрических потенциалов на мембранах нейронов, а также на их возбудимость и синаптическую передачу. Несмотря на усилия, существующие оптические сенсоры K⁺ обладают недостаточной селективностью и неспособны детектировать малые изменения концентрации ионов, особенно у свободно движущихся животных. Кроме того, они подвержены интерференции со стороны ионов натрия (Na⁺), поскольку выбросу K⁺ при прохождении нервного импульса предшествует приток Na⁺. В новой работе, опубликованной в Nature Nanotechnology, представлен высокочувствительный и селективный наносенсор K⁺ для мониторинга изменений концентрации этого иона в различных отделах мозга свободно движущихся мышей.

Новый наносенсор создан на основе пористых наночастиц диоксида кремния, покрытых ультратонкой калий-проницаемой мембраной, аналогичной калиевым каналам клеток мозга. Размер пор позволяет диффундировать только ионам K⁺, достигая предела обнаружения всего 1.3 микромоля (µM). Это обеспечивает специфичное считывание субмиллимолярных колебаний внеклеточного K⁺ и пространственное картирование этого иона в мозге.

Исследование подтвердило, что калий-проницаемая мембрана наносенсора эффективно отфильтровывает другие катионы и избирательно захватывает ионы K⁺. Такая стратегия конструирования может внести вклад не только в нейробиологические открытия, но и в разработку других селективных ионных сенсоров.

Используя эти наносенсоры в области гиппокампа CA3, команда смогла оценить степень эпилептических приступов у живых мышей и сопоставить данные с записями электроэнцефалографии (ЭЭГ).

Для проверки возможности измерения K⁺ в нескольких субрегионах мозга у свободно движущихся мышей наносенсоры инъецировали в три области: гиппокамп, миндалину и кору. После электрической стимуляции гиппокампа одновременно регистрировали сигналы ЭЭГ и оптический ответ наносенсоров. Интересно, что при фокальных приступах концентрация внеклеточного K⁺ со временем нарастала от гиппокампа к миндалине и коре, тогда как при генерализованных приступах она увеличивалась почти одновременно во всех трёх областях. Эти результаты согласуются с общепринятой точкой зрения, что электрическая стимуляция в гиппокампе сначала вовлекает прилегающие области, а затем распространяется по всему мозгу.

Хён Тэгван, директор Центра наночастичных исследований IBS (заслуженный профессор Сеульского национального университета) и ведущий автор исследования, отмечает: «Дальнейшее развитие этих наносенсоров может облегчить диагностику и терапию, уменьшив потребность в хирургическом вмешательстве. В идеале эти наносенсоры также могли бы доставлять противоэпилептические препараты для высвобождения именно в тех точках мозга, где зарождаются приступы».