un, Schema che mostra il design del nanosensore K+. Gli indicatori K+ sono incorporati all'interno dei nanopori. La sottile membrana filtrante specifica per il K+ sulla superficie dei nanopori consente di internalizzare solo il K+. avanti Cristo, Struttura chimica della membrana filtrante. d-e, Illustrazioni schematiche che mostrano i gusci di idratazione su ioni potassio (K+ in rosso) e sodio (Na+ in viola) e ioni sodio in acqua deionizzata. f-g, Illustrazioni schematiche ed energia di legame calcolata delle interazioni tra la cavità della membrana del filtro e K+/Na+. Credito:IBS
Ricercatori del Centro per la ricerca sulle nanoparticelle, all'interno dell'Istituto per le Scienze di Base (IBS, Corea del Sud) in collaborazione con i collaboratori della Zhejiang University, Cina, hanno segnalato un nanosensore altamente sensibile e specifico in grado di monitorare i cambiamenti dinamici degli ioni potassio nei topi sottoposti a crisi epilettiche, indicando la loro intensità e origine nel cervello.
L'epilessia è una malattia del sistema nervoso centrale accompagnata da un'attività cerebrale anormale, causando convulsioni o periodi di comportamento insolito, sensazioni, e talvolta perdita di consapevolezza. Se le crisi epilettiche durano per 30 minuti o più, possono causare danni cerebrali permanenti o addirittura la morte. È ben nota la necessità di tecnologie per valutare il grado di attività elettrica anormale associata all'epilessia.
Uno dei principali obiettivi di indagine è il potassio (K + ) ione. Questo ione influenza la differenza di potenziale elettrico tra le membrane interne ed esterne dei neuroni, e influisce sull'eccitabilità intrinseca neuronale e sulla trasmissione sinaptica. Nonostante gli sforzi significativi per migliorare la selettività di K + sensori, sono ancora lungi dall'essere soddisfacenti perché i reporter ottici attualmente disponibili non sono in grado di rilevare piccoli cambiamenti negli ioni potassio, in particolare, negli animali che si muovono liberamente. Per di più, sono suscettibili all'interferenza degli ioni sodio perché l'afflusso di Na+ è subito seguito da K + efflusso quando gli impulsi passano lungo la membrana di una cellula nervosa. In questo studio pubblicato su Nanotecnologia della natura , i ricercatori segnalano un K . altamente sensibile e selettivo + nanosensore in grado di monitorare le variazioni di K + nelle diverse parti del cervello dei topi che si muovono liberamente.
un, Schema sperimentale in vivo per il rilevamento della concentrazione esterna di potassio in un modello di topo epilettico indotto da kindling, in cui ripetute stimolazioni elettriche aumentano la gravità delle crisi. essere, Registrazione simultanea dell'attività neurale e imaging fluorescente dei topi a diversi stadi di crisi epilettica (b:fase di crisi 3; c:fase di crisi 5). Credito:IBS
Il nuovo nanosensore è creato con nanoparticelle di silice porose schermate da una membrana ultrasottile permeabile al potassio che è molto simile al canale del potassio nelle cellule cerebrali. La dimensione dei pori consente solo K + per diffondere dentro e fuori, raggiungendo un limite di rilevamento a partire da 1,3 micromolare. Ciò consente la lettura specifica delle variazioni submillimolari del K . extracellulare + e la mappatura spaziale di questo ione nel cervello.
Questo studio ha dimostrato con successo che K + -il filtro a membrana permeabile sul nanosensore è efficace nel filtrare altri cationi e catturare K + ioni esclusivamente. Una tale strategia di costruzione di nanosensori contribuirebbe non solo alle scoperte scientifiche e ai progressi nella ricerca neuroscientifica, ma anche allo sviluppo di altri sensori ionici selettivi.
Utilizzando questi nanosensori nella regione CA3 dell'ippocampo, il team è stato in grado di riportare il grado di crisi epilettiche nei topi vivi e confrontarlo con le registrazioni dell'attività neurale eseguite con l'elettroencefalografia (EEG).
un, Schema sperimentale per la registrazione simultanea dell'elettroencefalografia (EEG) e il rilevamento del K+ in tre diverse regioni del cervello (ippocampo, amigdala, e corteccia) del topo epilettico. B, C, Dopo stimolazione elettrica dell'ippocampo che ha provocato diversi gradi di crisi epilettiche, sia la registrazione EEG che i dati dei nanosensori mostrano risposte nell'amigdala e nella corteccia. D, e, Grafici che mostrano i cambiamenti dipendenti dallo stadio delle crisi nell'ampiezza (d) e nella durata (e) del segnale di fluorescenza del nanosensore nelle tre diverse posizioni del cervello del topo. Credito:IBS
Per verificare ulteriormente se i nanosensori sono in grado di misurare K + in più sottoregioni del cervello nei topi che si muovono liberamente, i ricercatori hanno iniettato i nanosensori in tre diverse posizioni del cervello dei topi:ippocampo, amigdala, e corteccia. Dopo la stimolazione elettrica all'ippocampo, l'EEG e le risposte ottiche dei nanosensori nelle posizioni iniettate sono state registrate simultaneamente. interessante, il K . esterno + la concentrazione aumenta nel tempo dall'ippocampo all'amigdala e alla corteccia nelle crisi focali, mentre aumenta quasi contemporaneamente nelle tre regioni del cervello nelle crisi generalizzate. Questi risultati sono in buon accordo con l'opinione ampiamente accettata che la stimolazione elettrica nell'ippocampo coinvolga prima l'area cerebrale adiacente e poi si propaghi in tutto il cervello.
Hyeon Taeghwan, direttore dell'IBS Center for Nanoparticle Research (Distinguished Professor presso la Seoul National University) e autore principale delle note di studio, "Un ulteriore sviluppo di questi nanosensori potrebbe facilitare la diagnosi e la terapia, diminuendo la necessità di un intervento chirurgico. Idealmente, questi nanosensori potrebbero anche trasportare farmaci antiepilettici da rilasciare nei punti giusti del cervello dove hanno avuto origine le convulsioni".
