a, Esquema que muestra el diseño del nanosensor de K +. Los indicadores de K + están incorporados dentro de los nanoporos. La delgada membrana de filtro específica de K + en la superficie de los nanoporos permite que solo se internalice el K +. antes de Cristo, Estructura química de la membrana del filtro. Delaware, Ilustraciones esquemáticas que muestran las cáscaras de hidratación en iones de potasio (K + en rojo) e iones de sodio (Na + en púrpura) e iones de sodio en agua desionizada. f-g, Ilustraciones esquemáticas y energía de enlace calculada de las interacciones entre la cavidad de la membrana del filtro y K + / Na +. Crédito:IBS
Investigadores del Centro de Investigación de Nanopartículas, dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS, Corea del Sur) en colaboración con colaboradores de la Universidad de Zhejiang, Porcelana, han informado de un nanosensor altamente sensible y específico que puede monitorear los cambios dinámicos de los iones de potasio en ratones que sufren ataques epilépticos, indicando su intensidad y origen en el cerebro.
La epilepsia es un trastorno del sistema nervioso central acompañado de una actividad cerebral anormal, causando convulsiones o períodos de comportamiento inusual, sensaciones, ya veces pérdida de conciencia. Si las convulsiones epilépticas duran 30 minutos o más, pueden causar daño cerebral permanente o incluso la muerte. Es bien conocida la necesidad de tecnologías para evaluar el grado de actividad eléctrica anormal asociada con la epilepsia.
Uno de los principales objetivos de la investigación es el potasio (K + ) ion. Este ion afecta la diferencia de potencial eléctrico entre las membranas interior y exterior de las neuronas, e impacta la excitabilidad intrínseca neuronal y la transmisión sináptica. A pesar de los importantes esfuerzos para mejorar la selectividad de K + sensores, todavía están lejos de ser satisfactorios porque los reporteros ópticos actualmente disponibles no son capaces de detectar pequeños cambios en los iones de potasio, en particular, en animales que se mueven libremente. Es más, son susceptibles a la interferencia de los iones de sodio porque la afluencia de Na + es seguida brevemente por K + salida cuando los impulsos pasan a lo largo de la membrana de una célula nerviosa. En este estudio publicado en Nanotecnología de la naturaleza , los investigadores informan de una K altamente sensible y selectiva + nanosensor que puede monitorear los cambios de K + en las diferentes partes del cerebro de ratones que se mueven libremente.
a, Esquema experimental in vivo para la detección de concentración externa de potasio en un modelo de ratón epiléptico inducido por leña, en el que las estimulaciones eléctricas repetidas aumentan la gravedad de las convulsiones. ser, Registro de actividad neuronal simultánea e imágenes fluorescentes de los ratones en diferentes etapas de crisis epilépticas (b:etapa de convulsión 3; c:etapa de convulsión 5). Crédito:IBS
El nuevo nanosensor se crea con nanopartículas de sílice porosas protegidas por una membrana ultrafina permeable al potasio que es muy similar al canal de potasio en las células cerebrales. El tamaño de los poros permite solo K + para difundir dentro y fuera, alcanzando un límite de detección tan bajo como 1,3 micromolar. Esto permite la lectura específica de variaciones submilimolares de K extracelular + y el mapeo espacial de este ion en el cerebro.
Este estudio demostró con éxito que K + -el filtro de membrana permeable en el nanosensor es eficaz para filtrar otros cationes y capturar K + iones exclusivamente. Tal estrategia de construcción de nanosensores contribuiría no solo a los descubrimientos científicos y los avances en la investigación de la neurociencia, sino también al desarrollo de otros sensores de iones selectivos.
Usando estos nanosensores en la región CA3 del hipocampo, el equipo pudo informar el grado de ataques epilépticos en ratones vivos y compararlo con los registros de actividad neuronal realizados con electroencefalografía (EEG).
a, Esquema experimental para el registro simultáneo de electroencefalografía (EEG) y detección de K + en tres regiones cerebrales diferentes (hipocampo, amígdala, y corteza) del ratón epiléptico. B, C, Tras la estimulación eléctrica del hipocampo que resultó en diferentes grados de ataques epilépticos, tanto el registro de EEG como los datos del nanosensor muestran respuestas en la amígdala y la corteza. D, mi, Gráficos que muestran los cambios dependientes de la etapa de la convulsión en la amplitud (d) y la duración (e) de la señal de fluorescencia del nanosensor en las tres ubicaciones diferentes del cerebro del ratón. Crédito:IBS
Para verificar más a fondo si los nanosensores son capaces de medir K + en múltiples subregiones del cerebro en ratones que se mueven libremente, los investigadores inyectaron los nanosensores en tres ubicaciones diferentes del cerebro de los ratones:hipocampo, amígdala, y corteza. Después de la estimulación eléctrica en el hipocampo, El EEG y las respuestas ópticas de los nanosensores en los lugares inyectados se registraron simultáneamente. Curiosamente, el K externo + la concentración aumenta desde el hipocampo hasta la amígdala y la corteza con el tiempo en las convulsiones focales, mientras que aumenta casi simultáneamente en las tres regiones del cerebro en las convulsiones generalizadas. Estos resultados concuerdan con la opinión ampliamente aceptada de que la estimulación eléctrica en el hipocampo involucra primero el área cerebral adyacente y luego se propaga por todo el cerebro.
Hyeon Taeghwan, director del IBS Center for Nanoparticle Research (profesor distinguido de la Universidad Nacional de Seúl) y autor principal de las notas del estudio, "Un mayor desarrollo de estos nanosensores podría facilitar el diagnóstico y la terapia, disminuyendo la necesidad de cirugía. Idealmente, estos nanosensores también podrían transportar fármacos antiepilépticos para ser liberados en los puntos correctos del cerebro donde se originaron las convulsiones ".
