Forskare vid Centrum för nanopartikelforskning, inom Institutet för grundvetenskap (IBS, Sydkorea) i samarbete med medarbetare vid Zhejiang University, Kina, har rapporterat en mycket känslig och specifik nanosensor som kan övervaka dynamiska förändringar av kaliumjoner hos möss som genomgår epileptiska anfall, indikerar deras intensitet och ursprung i hjärnan.

Epilepsi är en störning i centrala nervsystemet som åtföljs av onormal hjärnaktivitet, orsakar anfall eller perioder av ovanligt beteende, förnimmelser, och ibland förlust av medvetenhet. Om epileptiska anfall varar i 30 minuter eller längre, de kan orsaka permanent hjärnskada eller till och med dödsfall. Behovet av teknologier för att utvärdera graden av onormal elektrisk aktivitet associerad med epilepsi är välkänt.

Ett av de huvudsakliga undersökningsmålen är kalium (K ⁺ ) Jon. Denna jon påverkar skillnaden i elektrisk potential mellan neuronernas inre och yttre membran, och påverkar den neuronala inneboende excitabiliteten och den synaptiska transmissionen. Trots de betydande ansträngningarna att förbättra selektiviteten hos K ⁺ sensorer, de är fortfarande långt ifrån tillfredsställande eftersom för närvarande tillgängliga optiska reportrar inte kan upptäcka små förändringar i kaliumjoner, särskilt, i fritt rörliga djur. Vidare, de är känsliga för interferens från natriumjoner eftersom Na+-inflödet kort följs av K ⁺ efflux när impulser passerar längs membranet i en nervcell. I denna studie publicerad i Naturens nanoteknik , forskarna rapporterar en mycket känslig och selektiv K ⁺ nanosensor som kan övervaka förändringarna av K ⁺ i de olika delarna av hjärnan hos fritt rörliga möss.

Den nya nanosensorn är skapad med porösa kiseldioxidnanopartiklar som skyddas av ett ultratunt kaliumpermeabelt membran som är mycket likt kaliumkanalen i hjärnceller. Storleken på porerna tillåter endast K ⁺ att diffundera in och ut, nå en detektionsgräns så låg som 1,3 mikromolar. Detta möjliggör specifik avläsning av submillimolära variationer av extracellulär K ⁺ och den rumsliga kartläggningen av denna jon i hjärnan.

Denna studie visade framgångsrikt att K ⁺ -permeabelt membranfilter på nanosensorn är effektivt för att filtrera bort andra katjoner och fånga upp K ⁺ joner uteslutande. En sådan nanosensorkonstruktionsstrategi skulle inte bara bidra till vetenskapliga upptäckter och genombrott inom neurovetenskaplig forskning, men också till utvecklingen av andra selektiva jonsensorer.

Genom att använda dessa nanosensorer i hippocampus CA3-regionen, teamet kunde rapportera graden av epileptiska anfall hos levande möss och jämföra det med inspelningar av neural aktivitet gjorda med elektroencefalografi (EEG).

För att ytterligare kontrollera om nanosensorerna är kapabla att mäta K ⁺ i flera underregioner av hjärnan i fritt rörliga möss, forskarna injicerade nanosensorerna på tre olika platser i mushjärnorna:hippocampus, amygdala, och cortex. Efter den elektriska stimuleringen vid hippocampus, EEG och optiska svar från nanosensorerna på de injicerade platserna registrerades samtidigt. Intressant, det yttre K ⁺ koncentrationen ökar från hippocampus till amygdala och cortex över tiden vid fokala anfall, medan den ökar nästan samtidigt i de tre hjärnregionerna vid generaliserade anfall. Dessa resultat stämmer väl överens med den allmänt accepterade uppfattningen att elektrisk stimulering i hippocampus först involverar det intilliggande hjärnområdet och sedan sprider sig genom hela hjärnan.

Hyeon Taeghwan, chef för IBS Center for Nanopartikelforskning (Disinguished Professor vid Seoul National University) och ledande författare till studien noterar, "Vidareutveckling av dessa nanosensorer kan underlätta diagnos och terapi, minska behovet av operation. Helst dessa nanosensorer kan också bära antiepileptiska läkemedel för att frigöras i de högra punkterna i hjärnan där anfallen uppstod."