Epileptik nöbetleri tespit etmeye yarayan bir nanosensör geliştirildi

Yeni, oldukça hassas bir nanosensör, uyarılmış epileptik nöbetlere maruz kaldıklarından farelerin beynindeki potasyum iyon seviyelerindeki değişiklikleri tespit edebiliyor. Güney Kore’deki Temel Bilimler Enstitüsü (IBS) ve Çin’deki Zhejiang Üniversitesi’ndeki araştırmacılar tarafından geliştirilen cihaz, aynı anda birden fazla beyin bölgesindeki değişiklikleri kaydedebiliyor ve böylece epilepsi ve diğer nörolojik hastalıkların arkasındaki mekanizmaları daha iyi anlayabiliyor.

Sinir hücrelerinin veya nöronların sınırları dışındaki potasyum iyonlarının (K+) varlığı, nöronların iç ve dış zarları arasındaki elektriksel potansiyel farkını etkiler. Bu hücre dışı iyonların konsantrasyonları değiştiğinde, nöronların sinyal iletme yeteneği onunla değişir. Bu tür bazı değişikliklerin, dünya çapında 100 kişiden 1’ini etkileyen ve sıklıkla belirgin bir dış tetikleyici olmayan tekrarlayan ve öngörülemeyen nöbetlerle karakterize epilepsi gibi kronik nörolojik hastalıkların ilişkili olduğu bilinmektedir.

K + seviyelerindeki küçük değişiklikleri algılamak önemlidir, çünkü yakın bir epileptik nöbet tahmin etmeyi mümkün kılabilir, ancak bugün bu tür sensörlerin çoğu bunu -özellikle serbestçe hareket eden- hayvanlarda yapamaz. Ayrıca sodyum iyonlarından (Na+) etkileşime karşı da hassastırlar, çünkü elektrik impulslarının bir nöronun zarı boyunca hareket etmesi durumunda K + akışından önce bir Na + akısı gelir.

Potasyum seçici

Yeni nanosensör, Zheijang Üniversitesi’nden Zhong Chen ve Daishun Ling ile IBS’den Taeghwan Hyeon liderliğindeki bir ekip tarafından geliştirdi, bu problemlerin üstesinden gelebilir. Cihaz, potasyum geçirgen bir membranın ultra ince tabakası tarafından korunan mezofor silika nanopartiküllerine gömülü optik potasyum göstergesinden (K+ varlığında floresan bir boya molekülü) oluşur. Bu zar beyin hücrelerindeki potasyum kanalına çok benzer ve nanopartiküllerin gözenek boyutu diğer katyonların (Na + dahil) göstergeye ulaşmasını önler. Bu, cihazın yalnızca K+ iyonlarını yakaladığı anlamına geliyor. Cihaz, litre başına 1.3 mikromol kadar düşük konsantrasyonlarda varlığını tespit edebilir. Bu yüksek duyarlılık sayesinde, araştırmacılar fare beyninin üç farklı bölgesinde hücre dışı K+ ‘ nın alt milimolar varyasyonlarını uzaysal olarak haritalandırabildiler: hipokampus, amigdala ve korteks.

Nanosensörleri bir test faresinin beynindeki çeşitli yerlere enjekte ettikten sonra ekip, epileptik bir nöbet başlatmak için farenin hipokampüsünü elektriksel olarak simüle etti ve nanosensörlerin optik tepkilerini kaydetti. Daha sonra bu okumaları geleneksel elektroensefalografi (EEG) kullanılarak yapılan eşzamanlı ölçümlerden elde edilenlerle karşılaştırdılar. Lokalize epileptik nöbetlerde, hücre dışı K + konsantrasyonunun zaman içinde hipokampustan amigdala ve kortekse yükseldiğini, genel nöbetlerde ise üç beyin bölgesinin neredeyse aynı anda arttığını buldular.

Araştırmacılar, bu sonuçların, hipokampustaki elektrik stimülasyonunun önce bitişik beyin alanını içerdiğini ve daha sonra tüm beyin boyunca yayıldığını kabul ettiği görüşünü desteklediğini söylüyor. Araştırmacılar, Physics World (Fizik Dünyası) dergisinde “Serbest hareket eden hayvanlarda çok noktalı K + ölçümlerimizin beynin alt bölgeleri arasındaki fonksiyonel bağlantıların yanı sıra epilepsi gibi hastalıklarda meydana gelen nöronal aktiviteleri incelemek için sinirbilimde yararlı bir teknik olmasını bekliyoruz” diyor.

Tüm beyin görüntülemeye doğru

Ekip, epileptik bir nöbet sırasında nöbet aktivitesinin tüm beyine nasıl yayıldığını tespit etmek için cihazlarını kullanmayı planlıyor. İleriye bakacak olursak, epileptik odakları hassas bir şekilde tespit etmek için kullanılabilecek dokuya nüfuz eden yakın kızılötesi emisyon tabanlı K+ sensörleri geliştirmek istiyorlar. “Böyle bir cihaz epilepsinin tanı ve tedavisinde yardımcı olabilir ve hatta ameliyat ihtiyacını azaltabilir” diye açıklıyorlar. “Antiepileptik ilaçlarla yüklenmiş ve yüksek K+ seviyeleri ile bozulabilen nanokompozitler ile kaplanmışsa, bu nanosensörler bir nöbet noktasında yüksek oranda lokal ve isteğe bağlı ilaç salımına bile izin verebilir” diyorlar.

Nature Nanotechnology‘de açıklanan cihaz, yüksek hassasiyet ve özgüllük ile K+ dışındaki katyonları tespit etmek için de uyarlanabilir.

Resimdeki ayrıntılar

a, Epileptik farenin üç farklı beyin bölgesinde (hipokampus, amigdala ve korteks) eş zamanlı elektroensefalografi (EEG) kaydı ve K+ algılama için deneysel şema.

b, c, Farklı derecelerde epileptik nöbetlerle sonuçlanan hipokampüsün elektriksel stimülasyonu üzerine, hem EEG kaydı hem de nanosensör verileri amigdala ve kortekste yanıtlar gösterir.

d, e, Fare beyninin üç farklı konumundaki nanosensör flüorışı sinyalinin genlik (d) ve süresinde (e) nöbet aşamasına bağlı değişiklikleri gösteren grafikler.

Seizure stage: nöbet aşamaları

Time(s): Zaman ,saniye

Duration(s): Müddet,saniye