Nanosensoren zur Untersuchung der neuronalen Aktivität
Zellmembranen trennen interne und externe Fluida und erzeugen auf diese Weise elektrische und chemische Gradienten, welche die Signalprozesse lenken. Einer der wichtigsten für die Übertragung von Informationen zwischen den Zellen im Nervensystem verantwortlichen Neurotransmitter bzw. chemischen Stoffe ist Glutamat. Die Bindung von Glutamat an die Zellmembranen kann Veränderungen in der Membranspannung (im Potential) herbeiführen, welche für die neuronale Aktivität erforderlich sind. Die durch Finanzmittel innerhalb des VSNS-Projekts ("Voltage-sensitive plasmon-resonant nanoparticles, novel nanotransducers of neuronal activity") geförderten Forscher wollten spannungsempfindliche Nanowandler (voltage-sensitive Nanotransducer, VSN) zur Langzeitüberwachung des neuronalen Membranpotenzials entwickeln, um Schwierigkeiten zu überwinden, die mit dem Einsatz traditioneller spannungsabhängiger Farbstoffe verbunden sind. Die Technologien könnten bei der Entwicklung von Behandlungen bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer entscheidend weiterhelfen. Plasmonenresonante Nanopartikel sind metallische Nanopartikel, die aufgrund kollektiver Resonanz (Schwingung) der Leitungselektronen des Metalls das Licht mit bemerkenswerter Effizienz streuen. Es konnten etliche elektrisch einstellbare plasmonenresonante Nanopartikel/Nanostäbchen, die als Spannungs-Nanosensoren agieren, zusammen mit Protokollen zur Membrananbindung entwickelt werden. Überdies entwickelte das Team ein Verfahren, mir dem der Neurotransmitter Glutamat als Indikator der neuronalen Aktivität gebunden und erfasst werden kann. Einzelnanopartikel-Spektroskopie ermöglichte den Einblick in fundamentale Prozesse, die Veränderungen der membrangebundenen Nanopartikel-Plasmonenresonanz mit Messungen des Membranpotenzials in Verbindung bringen. Die Forscher untersuchten spannungsempfindliche Nanowandler, die an Membranen gebunden sind, in gezüchteten Nervenzellen und in kortikalen Gewebeschnitten unter Einsatz der gleichzeitigen Steuerung des neuronalen Membranpotentials und der optischen Bildgebung. Abschließend erwies sich ein Aufbau zur Dunkelfeldmikroskopie, ergänzt durch Mikroskopie mit thermischem Linseneffekt, als besonders nützlich zur Untersuchung von Veränderungen in Intensität, Wellenlänge und Phase des gestreuten Lichts neuronengebundener Nanopartikel/Nanostäbchen bei Präparaten wie Gewebeschnitten, die erhebliche Streuungen verursachen. Die Resultate des Projekts VSNS haben ein großes Potenzial für den Einsatz bei der Untersuchung neurodegenerativer Erkrankungsprozesse. Sie könnten außerdem die Tür zu vielen neuen Anwendungen in der Biosensorik und Optoelektronik öffnen.
