Dem Glückshormon auf der Spur
Elektrochemische Serotonin-Mikrosensoren für stabile Langzeitmessungen in Echtzeit
Eine Fehlsteuerung von Serotonin spielt eine Rolle bei vielen psychischen Erkrankungen, wie schweren Depressionen und Angststörungen. In der Zeitschrift Angewandte Chemie stellt ein Forschungsteam jetzt einen implantierbare, elektrochemischen Mikrosensor vor, mit dem sich die Dynamik von Serotonin im Gehirn in Echtzeit verfolgen lässt. Anders als bisherige Sensoren tritt keine Deaktivierung durch die Ablagerung von Serotonin-Oxidationsprodukten auf, da die Messung ohne Stromfluss erfolgt.
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Serotonin, auch als das „Glückshormon“ bekannt, ist einer unserer wichtigsten Neurotransmitter und reguliert eine Vielzahl von Prozessen in unserem Gehirn, allen voran unsere Gefühle, aber auch Appetit, Gedächtnis und den Schlafrhythmus. Ein besseres Verständnis der Vorgänge auf molekularer Ebene könnte die Diagnose und Behandlung mentaler Erkrankungen verbessern. Bisherige elektrochemische Ansätze arbeiten mit einer Mikroelektrode, auf der Serotonin direkt oxidiert und der erzeugte Strom gemessen wird. Die entstehenden Oxidationsprodukte polymerisieren jedoch, haften an der Elektrodenoberfläche („Fouling“) und deaktivieren den Sensor rasch (etwa 90% Signalverlust innerhalb von 30 min).
Das Team um Ying Jiang und Lanqun Mao von der Beijing Normal University und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (Peking) hat jetzt einen Serotonin-Sonsor entwickelt, der auch im Langzeitexperiment extrem stabile Signale liefert, da so gut wie keine Störung durch Serotonin-Oligomere auftritt. Er basiert auf galvanischer Redox-Potentiometrie (GRP), einer stromlosen Technik.
Herzstück des Sensors ist eine winzige bipolare Elektrode, vereinfacht beschrieben als Stäbchen, dessen eines Ende in die zu messende Flüssigkeit ragt, während sich das andere in einer Elektrolytlösung befindet, deren elektrochemische Eigenschaften genau auf die Analytmoleküle abgestimmt sind. Ein elektrischer Kontakt besteht ausschließlich über diese Elektrolylösung. An einem Ende der Elektrode stellt sich ein elektrochemisches Gleichgewicht zwischen Elektrolyt-Ionen in verschiedenen Ladungszuständen (hier: IrCl62−/IrCl63−) ein, am anderen Ende zwischen Serotonin und dessen oxidierter Form. Mit einem Spannungsmessgerät kann die sich spontan einstellende Potentialdifferenz zu einer Referenzelektrode gemessen werden. Diese ist von der Serotonin-Konzentration abhängig. Da lediglich die Spannung gemessen wird, aber kein Strom fließt, entstehen so gut wie keine Ablagerungen durch oligomere Serotonin-Produkte. Quantitative Messungen sind über einen breiten Konzentrationsbereich möglich – über einen langen Zeitraum.
In Hirne von Meerschweinchen implantierte Sensoren konnten die Serotonin-Ausschüttung nach einer Stimulation durch Kaliumionen in Echtzeit verfolgen. Eine interessante Beobachtung machte das Team nach Verabreichung von Escitalopram, eines häufig bei schweren Depressionen und Angststörungen verschriebenen Serotonin-Wiederaufnahmehemmers: Dessen Wirkung scheint stärker auf einer Verlangsamung des Aufnahmeprozesses zu beruhen als auf einer Modulierung der extrazellulären Serotonin-Konzentration. Diese Erkenntnis könnte wichtig für die Behandlung psychischer Störungen sein.
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