Analisi spettrale Raman assistita da machine learning del nanosensore ssDNA-SWCNT rispondente alla serotonina per migliorare la selettività contro la dopamina

Summary

Il protocollo descrive l'analisi spettrale Raman di un nanosensore SWCNT avvolto in ssDNA, che consente una misurazione selettiva migliorata della serotonina rispetto alla dopamina con l'assistenza di un modello di apprendimento automatico.

Abstract

La serotonina (5-idrossitriptamina, 5-HT) svolge ruoli fondamentali nella neuromodulazione, tuttavia i metodi di rilevamento attuali faticano a fornire una rilevazione in tempo reale della 5-HT con alta sensibilità e selettività. In precedenza avevamo sviluppato un nanosensore di serotonina nel vicino infrarosso (nIRHT), che consiste in nanotubi di carbonio a parete singola avvolti in ssDNA che rilevano sensibilmente il 5-HT. Tuttavia, la risposta di fluorescenza del nIRHT non può discriminare tra 5HT e dopamina (DA), limitandone le applicazioni pratiche. In questo studio, la spettroscopia Raman combinata con il machine learning supera questa sfida di selettività. Le caratteristiche spettrali della banda G hanno rivelato firme distinte per il legame 5HT rispetto a quello DA al nIRHT, con DA che provoca una maggiore soppressione della banda G. Abbiamo utilizzato il Raman differenziale (ΔRaman) per isolare i cambiamenti spettrali specifici dell'analita e addestrato tre modelli di machine learning per la classificazione. Il modello di foresta casuale con ΔRaman ha raggiunto prestazioni ottimali con il 95,8% di accuratezza, superando significativamente i modelli che utilizzano spettri Raman grezzi. Questo approccio ha mostrato una specificità migliorata, con risposte trascurabili ad acetilcolina, GABA e glutammato, e ha raggiunto un limite di rilevamento di 0,1 μM adatto per applicazioni fisiologiche. Questo approccio basato su Raman trasforma il sensore di fluorescenza nIRHT non selettivo in una piattaforma capace di una robusta discriminazione dei neurotrasmettitori, superando i problemi di selettività nel sensore molecolare basato su nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT).

Introduction

La serotonina (5-idrossitriptamina, 5-HT) è un neurotrasmettitore fondamentale che regola l'umore, la cognizione, il sonno e l'appetito, con disfunzioni implicate in depressione, ansia e altri disturbi^{neuropsichiatrici 1}. Il monitoraggio in tempo reale della dinamica della serotonina nei sistemi biologici rimane una sfida a causa della scala temporale di millisecondi della trasmissione sinaptica e dell'ambiente chimico complesso del tessuto^{neurale 2}. Nonostante i notevoli progressi nelle tecnologie di rilevamento dei neurotrasmettitori, raggiungere sia un'elevata sensibilità che una sele....

Protocol

1. Fabbricazione di nanosensori SWCNT nIRHT funzionalizzati con ssDNA

1. Combinare 1 mg di nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT), 100 μL di 1 mM di E6#9 ssDNA e 900 μL di 1x soluzione salina tamponata fosfato (PBS) in un tubo da 1,5 mL.
   ATTENZIONE: La polvere di SWCNT secca rappresenta un potenziale rischio per l'inalazione. Maneggia la polvere all'interno di una cappa chimica certificata e indossa l'attrezzatura di protezione individuale adeguata, inclusa maschera e guanti.
2. Disperdere la miscela usando un sonicatore da bagno per 5 minuti. Sonicare la miscela utilizzando un sonicatore a p....

Results

Il nanosensore SWCNT funzionalizzato con ssDNA E6#9 (nIRHT), precedentemente sviluppato tramite la metodologia SELEC, dimostra un potenziamento reversibile della fluorescenza nIR durante il legame con 5HT, consentendo immagini 5HT in vitro in tempo reale e ex^{vivo 12}. La sequenza E6#9 (5'-CCCCCCAGCACCACAGCACACCCCCCCCC-3') avvolge gli SWCNT per creare siti di legame per il 5HT. Tuttavia, questo sensore manca di specificità: sia il 5-HT che il DA co.......

Discussion

L'analisi spettroscopica Raman ha fornito un miglioramento significativo della specificità del sensore nIRHT, una capacità non raggiungibile con la sua risposta a fluorescenza convenzionale. Abbiamo osservato che la DA induceva una soppressione più pronunciata della banda G⁻ (1570 ^cm-1) rispetto alla 5HT. Queste firme differenziali probabilmente derivano da diverse orientazioni molecolari e geometrie di legame sulla superficie SWCNT. In particolare, la parte di catecolo di DA .......

Materials

List of materials used in this article

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