une, Schéma montrant la conception du nanocapteur K+. Des indicateurs K+ sont incorporés à l'intérieur des nanopores. La fine membrane filtrante spécifique au K+ à la surface des nanopores ne permet d'internaliser que le K+. avant JC, Structure chimique de la membrane filtrante. d-e, Illustrations schématiques montrant les coquilles d'hydratation sur les ions potassium (K+ en rouge) et sodium (Na+ en violet) et les ions sodium dans l'eau désionisée. f-g, Illustrations schématiques et énergie de liaison calculée des interactions entre la cavité de la membrane filtrante et K+/Na+. Crédit :IBS
Chercheurs du Centre de recherche sur les nanoparticules, au sein de l'Institut des sciences fondamentales (IBS, Corée du Sud) en collaboration avec des collaborateurs de l'Université du Zhejiang, Chine, ont rapporté un nanocapteur hautement sensible et spécifique qui peut surveiller les changements dynamiques des ions potassium chez des souris subissant des crises d'épilepsie, indiquant leur intensité et leur origine dans le cerveau.
L'épilepsie est un trouble du système nerveux central accompagné d'une activité cérébrale anormale, provoquant des crises ou des périodes de comportement inhabituel, sensations, et parfois une perte de conscience. Si les crises d'épilepsie durent 30 minutes ou plus, ils peuvent causer des lésions cérébrales permanentes ou même la mort. Le besoin de technologies pour évaluer le degré d'activité électrique anormale associé à l'épilepsie est bien connu.
L'une des principales cibles d'investigation est le potassium (K + ) ion. Cet ion affecte la différence de potentiel électrique entre les membranes intérieures et extérieures des neurones, et impacte l'excitabilité intrinsèque neuronale et la transmission synaptique. Malgré les efforts importants pour améliorer la sélectivité de K + capteurs, ils sont encore loin d'être satisfaisants car les reporters optiques actuellement disponibles ne sont pas capables de détecter de petits changements dans les ions potassium, en particulier, chez les animaux se déplaçant librement. Par ailleurs, ils sont sensibles aux interférences des ions sodium car l'afflux de Na+ est suivi de peu par K + efflux lorsque les impulsions passent le long de la membrane d'une cellule nerveuse. Dans cette étude publiée dans Nature Nanotechnologie , les chercheurs rapportent un K hautement sensible et sélectif + nanocapteur qui peut surveiller les changements de K + dans les différentes parties du cerveau des souris se déplaçant librement.
une, Schéma expérimental in vivo pour la détection externe de la concentration de potassium dans un modèle de souris épileptique induite par l'allumage, dans lequel des stimulations électriques répétées augmentent la gravité des crises. être, Enregistrement simultané de l'activité neuronale et imagerie fluorescente des souris à différents stades de la crise d'épilepsie (b :crise stade 3; c :crise stade 5). Crédit :IBS
Le nouveau nanocapteur est créé avec des nanoparticules de silice poreuses protégées par une membrane ultrafine perméable au potassium qui est très similaire au canal potassique des cellules cérébrales. La taille des pores ne permet que K + diffuser à l'intérieur et à l'extérieur, atteignant une limite de détection aussi basse que 1,3 micromolaire. Cela permet la lecture spécifique des variations sous-millimolaires de K extracellulaire + et la cartographie spatiale de cet ion dans le cerveau.
Cette étude a démontré avec succès que K + -Le filtre à membrane perméable sur le nanocapteur est efficace pour filtrer les autres cations et capturer K + ions exclusivement. Une telle stratégie de construction de nanocapteurs contribuerait non seulement aux découvertes scientifiques et aux percées dans la recherche en neurosciences, mais aussi au développement d'autres capteurs ioniques sélectifs.
En utilisant ces nanocapteurs dans la région hippocampique CA3, l'équipe a pu rapporter le degré de crises d'épilepsie chez des souris vivantes et le comparer avec les enregistrements de l'activité neuronale réalisés par électroencéphalographie (EEG).
une, Schéma expérimental d'enregistrement simultané d'électroencéphalographie (EEG) et de détection de K+ dans trois régions cérébrales différentes (hippocampe, amygdale, et cortex) de la souris épileptique. b, c, Lors de la stimulation électrique de l'hippocampe qui a entraîné différents degrés de crises d'épilepsie, l'enregistrement EEG et les données du nanocapteur montrent des réponses dans l'amygdale et le cortex. ré, e, Graphiques montrant les changements dépendants du stade de la crise dans l'amplitude (d) et la durée (e) du signal de fluorescence du nanocapteur dans les trois emplacements différents du cerveau de la souris. Crédit :IBS
Pour vérifier davantage si les nanocapteurs sont capables de mesurer K + dans plusieurs sous-régions du cerveau chez les souris se déplaçant librement, les chercheurs ont injecté les nanocapteurs dans trois endroits différents du cerveau de la souris :l'hippocampe, amygdale, et corticale. Après la stimulation électrique à l'hippocampe, l'EEG et les réponses optiques des nanocapteurs aux emplacements injectés ont été enregistrés simultanément. De façon intéressante, le K externe + la concentration augmente de l'hippocampe à l'amygdale et au cortex au fil du temps dans les crises focales, alors qu'il augmente presque simultanément dans les trois régions du cerveau dans les crises généralisées. Ces résultats sont en bon accord avec l'opinion largement acceptée selon laquelle la stimulation électrique dans l'hippocampe implique d'abord la zone cérébrale adjacente, puis se propage dans tout le cerveau.
Hyeon Taeghwan, directeur du Centre IBS pour la recherche sur les nanoparticules (professeur émérite à l'Université nationale de Séoul) et auteur principal des notes d'étude, "La poursuite du développement de ces nanocapteurs pourrait faciliter le diagnostic et la thérapie, diminuant le besoin de chirurgie. Idéalement, ces nanocapteurs pourraient également transporter des médicaments antiépileptiques à libérer dans les bons points du cerveau où les crises ont pris naissance. »
