Разработка нанозондов для детекции нейромедиаторов в мозге
Мозг животных состоит из десятков миллиардов нейронов, которые выполняют сложные задачи, такие как обработка эмоций, обучение и принятие решений, общаясь друг с другом через нейромедиаторы. Эти небольшие сигнальные молекулы диффундируют между нейронами, действуя как химические посредники.
Учёные полагают, что эта диффузия может лежать в основе высших функций мозга. Для понимания роли конкретных нейромедиаторов используются амперометрические и микродиализные методы, но они дают недостаточно информации, что требует разработки более совершенных методов детекции.
Группа исследователей из Технологического института Сибаура (Япония) под руководством профессора Ясуо Ёсими успешно синтезировала флуоресцентные наночастицы с молекулярным импринтингом (fMIP-NPs), которые служат зондами для детекции специфических нейромедиаторов: серотонина, дофамина и ацетилхолина. Работа опубликована в журнале Nanomaterials.
Принцип синтеза и работы зондов
Синтез fMIP-NPs включает несколько этапов:
- Целевой нейромедиатор фиксируется на поверхности стеклянных шариков.
- Мономеры с различными функциями (детекция, сшивание, флуоресценция) полимеризуются вокруг шариков, обволакивая нейромедиатор.
- Полученный полимер отмывают, получая наночастицу с полостью, отпечатанной по структуре нейромедиатора.
Эта полость подходит только для целевого нейромедиатора, подобно тому, как конкретный ключ подходит к замку. Когда нейромедиатор попадает в полость, fMIP-NPs набухают. Это увеличивает расстояние между флуоресцентными мономерами, что снижает их взаимодействие друг с другом, включая само-гашение флуоресценции. В результате интенсивность флуоресценции возрастает, сигнализируя о присутствии нейромедиатора.
Ключевые факторы специфичности
Исследователи повысили селективность детекции, регулируя плотность нейромедиатора на поверхности стеклянных шариков во время синтеза.
Выбор материала для фиксации нейромедиаторов также оказался критически важен:
- Для серотонина и дофамина смешанный силановый агент оказался лучше чистого силана. fMIP-NPs, синтезированные с его использованием, специфично детектировали целевые нейромедиаторы.
- Использование чистого силана приводило к синтезу неспецифичных fMIP-NPs, реагирующих на другие нейромедиаторы.
- Для ацетилхолина эффективной «пустой» матрицей-шаблоном оказался сополимер поли([2-(метакрилоилокси)этил] триметиламмония хлорида (METMAC) с метакриламидом, но не гомополимер METMAC. Только первый вариант давал наночастицы, селективно детектирующие ацетилхолин.
Перспективы применения
Результаты демонстрируют принципиальную возможность использования fMIP-NPs для селективной детекции нейромедиаторов в мозге. По словам профессора Ёсими, визуализация мозга с помощью этой новой техники может раскрыть взаимосвязь между диффузией нейромедиаторов и мозговой активностью. Это, в свою очередь, может помочь в лечении неврологических заболеваний и даже в создании продвинутых компьютеров, имитирующих функции человеческого мозга.