Onderzoekers van het Center for Nanoparticle Research, binnen het Instituut voor Basiswetenschappen (IBS, Zuid-Korea) in samenwerking met medewerkers van de Zhejiang University, China, hebben een zeer gevoelige en specifieke nanosensor gerapporteerd die dynamische veranderingen van kaliumionen kan volgen bij muizen die epileptische aanvallen ondergaan, wat hun intensiteit en oorsprong in de hersenen aangeeft.

Epilepsie is een aandoening van het centrale zenuwstelsel die gepaard gaat met abnormale hersenactiviteit, epileptische aanvallen of perioden van ongewoon gedrag veroorzaken, sensaties, en soms verlies van bewustzijn. Als epileptische aanvallen 30 minuten of langer duren, ze kunnen blijvende hersenbeschadiging of zelfs de dood veroorzaken. De noodzaak van technologieën om de mate van abnormale elektrische activiteit geassocieerd met epilepsie te evalueren is algemeen bekend.

Een van de belangrijkste onderzoeksdoelen is de kalium (K ⁺ ) ion. Dit ion beïnvloedt het verschil in elektrische potentiaal tussen de binnen- en buitenmembranen van de neuronen, en beïnvloedt de neuronale intrinsieke prikkelbaarheid en synaptische transmissie. Ondanks de aanzienlijke inspanningen om de selectiviteit van K . te verbeteren ⁺ sensoren, ze zijn nog verre van bevredigend omdat de momenteel beschikbare optische reporters niet in staat zijn om kleine veranderingen in kaliumionen te detecteren, vooral, bij vrij bewegende dieren. Verder, ze zijn gevoelig voor interferentie van natriumionen omdat de instroom van Na+ kort wordt gevolgd door K ⁺ efflux wanneer impulsen langs het membraan van een zenuwcel gaan. In deze studie gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , de onderzoekers rapporteren een zeer gevoelige en selectieve K ⁺ nanosensor die de veranderingen van K . kan volgen ⁺ in de verschillende delen van de hersenen van vrij bewegende muizen.

De nieuwe nanosensor is gemaakt met poreuze silica-nanodeeltjes die worden afgeschermd door een ultradun kaliumdoorlatend membraan dat sterk lijkt op het kaliumkanaal in hersencellen. De grootte van de poriën laat alleen K . toe ⁺ om in en uit te diffunderen, het bereiken van een detectielimiet van slechts 1,3 micromolair. Dit maakt de specifieke uitlezing mogelijk van submillimolaire variaties van extracellulaire K ⁺ en de ruimtelijke mapping van dit ion in de hersenen.

Deze studie toonde met succes aan dat K ⁺ -permeabel membraanfilter op de nanosensor is effectief in het uitfilteren van andere kationen en het vastleggen van K ⁺ ionen uitsluitend. Een dergelijke constructiestrategie voor nanosensoren zou niet alleen bijdragen aan wetenschappelijke ontdekkingen en doorbraken in neurowetenschappelijk onderzoek, maar ook voor de ontwikkeling van andere selectieve ionensensoren.

Met behulp van deze nanosensoren in de hippocampale CA3-regio, het team was in staat om de mate van epileptische aanvallen bij levende muizen te rapporteren en te vergelijken met de opnames van neurale activiteit gedaan met elektro-encefalografie (EEG).

Om verder te controleren of de nanosensoren K . kunnen meten ⁺ in meerdere subregio's van de hersenen in vrij bewegende muizen, de onderzoekers injecteerden de nanosensoren in drie verschillende locaties van de muizenhersenen:hippocampus, amygdala, en cortex. Na de elektrische stimulatie op de hippocampus, de EEG en optische reacties van de nanosensoren op de geïnjecteerde locaties werden gelijktijdig geregistreerd. interessant, de externe K ⁺ de concentratie neemt in de loop van de tijd toe van de hippocampus naar de amygdala en de cortex bij focale aanvallen, terwijl het bijna gelijktijdig toeneemt in de drie hersengebieden bij gegeneraliseerde aanvallen. Deze resultaten komen goed overeen met de algemeen aanvaarde opvatting dat elektrische stimulatie in de hippocampus eerst het aangrenzende hersengebied omvat en zich vervolgens door de hele hersenen verspreidt.

Hyeon Taeghwan, directeur van het IBS Center for Nanoparticle Research (Distinguished Professor aan de Seoul National University) en hoofdauteur van de studienotities, "Verdere ontwikkeling van deze nanosensoren zou diagnose en therapie kunnen vergemakkelijken, het verminderen van de noodzaak van een operatie. Ideaal, deze nanosensoren kunnen ook anti-epileptica bevatten die worden afgegeven in de juiste punten van de hersenen waar de aanvallen zijn ontstaan."