ניתוח ספקטרלי ראמן בעזרת למידת מכונה של ננו חיישן ssDNA-SWCNT המגיב לסרוטונין לשיפור הסלקטיביות נגד דופמין

סיכום

הפרוטוקול מתאר ניתוח ספקטרלי של רמאן של ננו-חיישן SWCNT עטוף ב-ssDNA, ומאפשר מדידה סלקטיבית משופרת של סרוטונין נגד דופמין בעזרת מודל למידת מכונה.

תקציר

סרוטונין (5-הידרוקסיטריפטמין, 5-HT) ממלא תפקידים קריטיים בנוירומודולציה, אך שיטות גילוי עכשוויות מתקשות לספק חישה בזמן אמת של 5-HT ברגישות וסלקטיביות גבוהה. בעבר פיתחנו חיישן סרוטונין כמעט אינפרא-אדום (nIRHT), המורכב מננו-צינור פחמן חד-דופתי עטוף ב-ssDNA, שמזהה ברגישות 5-HT. עם זאת, תגובת הפלואורסצנציה של nIRHT אינה יכולה להבחין בין 5HT לדופמין (DA), מה שמגביל את יישומיו המעשיים. במחקר זה, ספקטרוסקופיית רמאן בשילוב עם למידת מכונה מתגברת על אתגר הסלקטיביות הזה. תכונות ספקטרליות ב-G-band חשפו חתימות מובחנות ל-5HT לעומת קישור DA ל-nIRHT, כאשר DA גורם לדיכוי גדול יותר של G-band. השתמשנו ברמן דיפרנציאלי (ΔRaman) לבידוד שינויים ספקטרליים ספציפיים לאנליט ואימנונו שלושה מודלים של למידת מכונה לסיווג. מודל היער האקראי עם ΔRaman השיג ביצועים מיטביים עם דיוק של 95.8%, וביצועים גבוהים משמעותית ממודלים שהשתמשו בספקטרום ראמן גולמי. גישה זו הראתה שיפור בספציפיות, עם תגובות זניחות לאצטילכולין, GABA וגלוטמט, והשיגה מגבלת גילוי של 0.1 מיקרומטר המתאימה ליישומים פיזיולוגיים. גישה מבוססת רמאן זו ממירה את חיישן הפלואורסצנציה הלא-סלקטיבי nIRHT לפלטפורמה המסוגלת להבחין בין נוירוטרנסמיטרים עמידים, תוך התמודדות עם בעיות סלקטיביות בחישה מולקולרית מבוססת צינורות פחמן חד-קיריים (SWCNT).

מבוא

סרוטונין (5-הידרוקסיטריפטמין, 5-HT) הוא נוירוטרנסמיטר קריטי המווסת את מצב הרוח, הקוגניציה, שינה ותיאבון, כאשר תפקוד לקוי הקשור לדיכאון, חרדה והפרעות נוירופסיכיאטריות^{נוספות.} ניטור בזמן אמת של דינמיקת סרוטונין במערכות ביולוגיות נותר מאתגר בשל מילי-שנייה של ההעברה הסינפטית והסביבה הכימית המורכבת של רקמת עצב². למרות התקדמות משמעותית בטכנולוגיות זיהוי נוירוטרנסמיטרים, השגת רגישות גבוהה וסלקטיביות מולקולרית לסרוטונין ממשיכה להוות אתגרים אנליטיים משמעותיים.

שיטות גילוי הסרוטונין הנוכחיות נעות מטכניקות אנליטיות מסורתיות ועד פלטפורמות ננו-חיישנים מתפתחות. כרומטוגרפיה נ....

פרוטוקול

1. ייצור ננו-חיישני SWCNT nIRHT עם פונקציונלציה ssDNA

1. שלבו 1 מ"ג של ננו-צינורות פחמן חד-דופניים (SWCNTs), 100 מיקרוליטר של 1 מ"מ E6#9 ssDNA, ו-900 מיקרוליטר של 1x מלח מפוזר-פוספט (PBS) בצינור בנפח 1.5 מ"ל.
   אזהרה: אבקת SWCNT יבשה מהווה סיכון פוטנציאלי לשאיפה. לטפל באבקה בתוך מכסה אדים כימי מוסמך ולבש ציוד מגן אישי מתאים, כולל מסכה וכפפות.
2. פזר את התערובת באמצעות סוניקטור אמבטיה למשך 5 דקות. סוניקציה של התערובת באמצעות סוניקטור קצה המצויד בגלש 3 מ"מ בעוצמה של 50% למשך 30 דקות באמבט קרח.
3. צנטריפוגה את התמיסה הסוניקית בעוצמה של 21,500 x גרם למשך שעה אחת כדי להפיק SWCNTs לא מפוזרים....

תוצאות

חיישן הננו ה-SWCNT הפונקציונלי של E6#9 ssDNA (nIRHT), שפותח בעבר באמצעות שיטת SELEC, מדגים שיפור הפלואורסצנציה הפיך של nIR בעת קישור 5HT, ומאפשר הדמיית 5HT בזמן אמת במבחנה וב-ex vivo¹². רצף E6#9 (5'-CCCCCCAGCACCACCAGACAGCACTCCCCCC-3') עוטף את SWCNTs כדי ליצור אתרי קישור ל-5HT. עם זאת, חיישן זה חסר ספציפיות: גם 5-HT וגם DA גורמים לעלייה דומה בעוצמה (איור 1B), מה שמגביל את השימושיות שלו להבחין בין DA ל-5-HT.

דיון

ניתוח ספקטרוסקופי ראמן סיפק שיפור משמעותי בספציפיות חיישן ה-nIRHT, יכולת שלא הייתה מושגת עם תגובת הפלואורסצנציה הקונבנציונלית שלו. הבחנו כי DA גרם לדיכוי בולט יותר של תחום G⁻ (1570 ס"^מ-1) בהשוואה ל-5HT. חתימות דיפרנציאליות אלו ככל הנראה נובעות מכיוונים מולקולריים שונים וגאומטריות קישור שונות על פני ה-SWCNT. באופן ספציפי, קטכול הקטכול של DA ככל הנראה יוצר אינטראקציות π-π חזקות יותר עם פני ה-SWCNT, מה שגורם להפרעה אלקטרונית גדולה יותר המתבטאת בדיכוי G⁻ מוגבר. לעומת זאת, מערכת טב.......

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
HiPCo raw	ננו-אינטגריס
iDus1.7 InGaAs	אנדור	DU490A-1,9
רמנטץ'	ננו פוטון
ויברה סל 130	סוניקס