Maschinelles Lernen unterstützte Raman-Spektralanalyse des serotonin-responsiven ssDNA-SWCNT-Nanosensors zur verbesserten Selektivität gegenüber Dopamin

Summary

Das Protokoll beschreibt die Raman-Spektralanalyse eines ssDNA-umwickelten SWCNT-Nanosensors, die eine verbesserte selektive Messung von Serotonin gegen Dopamin mit Hilfe eines maschinellen Lernmodells ermöglicht.

Abstract

Serotonin (5-Hydroxytryptamin, 5-HT) spielt eine entscheidende Rolle bei der Neuromodulation, doch aktuelle Detektionsmethoden haben Schwierigkeiten, eine Echtzeitmessung von 5-HT mit hoher Sensitivität und Selektivität zu ermöglichen. Zuvor haben wir einen Nahinfrarot-Serotonin-Nanosensor (nIRHT) entwickelt, der aus einer ssDNA-umwickelten, einwandigen Kohlenstoffnanoröhre besteht, die 5-HT empfindlich detektiert. Die Fluoreszenzantwort von nIRHT kann jedoch nicht zwischen 5HT und Dopamin (DA) unterscheiden, was ihre praktische Anwendung einschränkt. In dieser Studie überwindet Raman-Spektroskopie in Kombination mit maschinellem Lernen diese Selektivitätsherausforderung. G-Band-Spektralmerkmale zeigten unterschiedliche Signaturen für 5HT versus DA-Bindung an nIRHT, wobei DA eine stärkere G-Band-Unterdrückung verursachte. Wir nutzten Differential-Raman (ΔRaman), um analytspezifische spektrale Veränderungen zu isolieren, und trainierten drei maschinelle Lernmodelle für die Klassifikation. Das Zufallswaldmodell mit ΔRaman erreichte eine optimale Leistung mit 95,8 % Genauigkeit und übertraf damit deutlich die Modelle mit rohen Raman-Spektren. Dieser Ansatz zeigte eine verbesserte Spezifität mit vernachlässigbaren Reaktionen auf Acetylcholin, GABA und Glutamat und erreichte eine Nachweisgrenze von 0,1 μM, die physiologisch geeignet ist. Dieser auf Raman basierende Ansatz verwandelt den nicht-selektiven nIRHT-Fluoreszenzsensor in eine Plattform, die eine robuste Neurotransmitter-Diskriminierung ermöglicht und Selektivitätsprobleme bei einwandigem Kohlenstoffnanoröhren-(SWCNT)-basiertem molekularem Sensorsystem überwindet.

Introduction

Serotonin (5-Hydroxytryptamin, 5-HT) ist ein kritischer Neurotransmitter, der Stimmung, Kognition, Schlaf und Appetit reguliert, wobei Funktionsstörungen mit Depressionen, Angstzuständen und anderen neuropsychiatrischen Störungen in Verbindung gebracht werden. Die Echtzeitüberwachung der Serotonindynamik in biologischen Systemen bleibt aufgrund der Millisekundenzeit-Zeitskala der synaptischen Übertragung und der komplexen chemischen Umgebung des neuronalen^{Gewebes 2} eine Herausforderung. Trotz bedeutender Fortschritte bei den Technologien zur Erkennung von Neurotransmittern stellt die Err....

Protocol

1. ssDNA-funktionalisierte SWCNT nIRHT-Nanosensorfertigung

1. Kombinieren Sie 1 mg einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs), 100 μL 1 mM E6#9 ssDNA und 900 μL 1x phosphatgepufferte Kochsalzlösung (PBS) in einem 1,5 mL Rohr.
   VORSICHT: Trockenes SWCNT-Pulver ist eine potenzielle Einatmungsgefahr. Führen Sie das Pulver in einer zertifizierten chemischen Abgashaube und tragen Sie geeignete persönliche Schutzausrüstung, einschließlich Maske und Handschuhe.
2. Die Mischung mit einem Bade-Sonikator für 5 Minuten verteilen. Sonikieren Sie die Mischung mit einem Tip-Sonikator mit einer 3-mm-Sonde bei 50 % A....

Results

Der E6#9 ssDNA-funktionalisierte SWCNT-Nanosensor (nIRHT), der zuvor mit der SELEC-Methodik entwickelt wurde, zeigt reversible nIR-Fluoreszenzverstärkung bei 5HT-Bindung und ermöglicht so Echtzeit-5HT-Bildgebung in vitro und ex vivo¹². Die E6#9-Sequenz (5'-CCCCCCCACACACACACACTCCCCCC-3') umschließt SWCNTs, um Bindungsstellen für 5HT zu schaffen. Allerdings fehlt diesem Sensor die Spezifität: Sowohl 5-HT als auch DA führen zu einer vergleichbaren I.......

Discussion

Die Raman-spektroskopische Analyse verbesserte die Spezifität des nIRHT-Sensors erheblich, eine Fähigkeit, die mit seiner konventionellen Fluoreszenzantwort nicht erreichbar war. Wir beobachteten, dass DA eine ausgeprägtere Unterdrückung des G⁻-Bands (1570 ^cm-1) im Vergleich zu 5HT induzierte. Diese differenziellen Signaturen entstehen wahrscheinlich durch unterschiedliche molekulare Orientierungen und Bindungsgeometrien auf der SWCNT-Oberfläche. Konkret bildet die Katechol-Mo.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
HiPCo raw	Nanointegris
iDus1.7 InGaAs	ANDOR	DU490A-1,9
Ramantouch	Nanophoton
Vibra-Zelle 130	SONICS