نورنیوز-گروه اجتماعی: دوپامین، ناقل عصبی کلیدی مغز انسان، نقشی بنیادین در حرکت، انگیزه، پاداش و بروز علائم بیماری پارکینسون دارد. این مولکول حیاتی در مغز در غلظتهایی بسیار ناچیز، کمتر از ۱۰ نانومولار، فعالیت میکند؛ یعنی کمتر از ده میلیاردم مول در هر لیتر. همین غلظت فوقالعاده پایین، کار دانشمندان را برای بررسی عملکرد واقعی نورونهای تولیدکننده دوپامین دشوار کرده است.
در سالهای اخیر، پژوهشگران توانستهاند نورونها را در ظروف آزمایشگاهی پرورش دهند یا حتی ساختارهای پیچیدهتری به نام ارگانوئیدهای مغزی بسازند که شباهت زیادی به بافت واقعی مغز دارند. اما یک پرسش اساسی همواره بیپاسخ مانده است: آیا این نورونهای آزمایشگاهی واقعا مانند نورونهای طبیعی مغز عمل میکنند و دوپامین را در مقادیر معنادار فیزیولوژیک آزاد میکنند یا خیر؟
روشهای رایج برای پاسخ به این پرسش، محدودیتهای جدی دارند. دانشمندان میتوانند سلولها را برای نشانگرهای پروتئینی رنگآمیزی کنند یا شکل آنها را زیر میکروسکوپ بررسی کنند، اما این روشها صرفا ساختار را نشان میدهند، نه عملکرد واقعی را. از سوی دیگر، روشهایی مانند کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا و آزمونهای ایمنی آنزیمی، اگرچه قادر به اندازهگیری دوپامین هستند، اما مستلزم تخریب سلولها، مصرف حجم بالای نمونه و صرف چندین ساعت زماناند. این روشها امکان پایش لحظهای فعالیت نورونها را فراهم نمیکنند.
روشهای نوری مبتنی بر کاوشگرهای فلورسنت نیز گزینه دیگری به شمار میروند، اما نیازمند دستکاری ژنتیکی یا برچسبگذاری شیمیایی هستند؛ مداخلاتی که میتوانند رفتار طبیعی سلول را تغییر دهند. به همین دلیل، تاکنون ابزاری ساده، تکرارپذیر و غیرتخریبی برای سنجش بلوغ عملکردی نورونهای مشتق از سلولهای بنیادی در دسترس نبود.
در این میان، حسگری الکتروشیمیایی بهعنوان راهکاری امیدبخش مطرح شده است. دوپامین ذاتا یک مولکول الکتروفعال است؛ به این معنا که در واکنشهای انتقال الکترون شرکت میکند و جریان الکتریکی قابل اندازهگیری تولید میکند. با این حال، حسگرهای الکتروشیمیایی موجود با دو مشکل اساسی روبهرو بودند: نخست، ناتوانی در تشخیص غلظتهای بسیار پایین دوپامین در محیطهای کشت سلولی و دوم، تداخل مولکولهای مشابه و آلودگی سطح الکترود در اثر محصولات واکنش.
اکنون یک پلتفرم الکترودی جدید این موانع را کنار زده است. تیمی از پژوهشگران که عمدتا در دانشگاه سونگکیونکوان کرهجنوبی فعالیت میکنند، حسگری به نام «سیدنی» طراحی کردهاند؛ نامی که مخفف عبارت «پلتفرم هوشمند بینسطحی برای حسگری دوپامین در نورونها و فیزیولوژی ارگانوئیدها» است. نتایج این پژوهش در نشریه معتبر Advanced Functional Materials با عنوان «هیبریدهای نانوستون طلای سلسلهمراتبی پوشیدهشده با اکسید گرافن برای حسگری لحظهای و غیرتخریبی دوپامین در نورونها و ارگانوئیدهای میانمغز» منتشر شده و نخستین نمونه از آشکارسازی الکتروشیمیایی لحظهای دوپامین از ارگانوئیدهای زنده میانمغز را به نمایش گذاشته است.
این نانوحسگر از سه جزء اصلی در مقیاس نانو تشکیل شده است. لایه پایه شامل نانوستونهای طلایی عمودی با ارتفاع حدود ۳۰۰ نانومتر است که با روش لیتوگرافی تداخل لیزری ساخته شدهاند؛ روشی که بدون نیاز به ماسک، الگوهای یکنواخت را در سطحهای بزرگ ایجاد میکند و سطح مؤثر الکترود را بهطور چشمگیری افزایش میدهد. بر روی این نانوستونها، نانوذرات طلایی کوچکتری با قطر حدود ۳۸ نانومتر نشانده شدهاند تا انتقال الکترون در واکنش اکسایش دوپامین را تسریع کنند. در نهایت، کل ساختار با لایهای نازک از اکسید گرافن پوشانده شده است؛ مادهای دوبعدی با حلقههای کربنی و گروههای عاملی اکسیژندار.
هر یک از این اجزا نقشی دقیق ایفا میکنند. ساختارهای طلایی ستون فقرات رسانا و نقاط داغ انتقال الکترون را فراهم میکنند. لایه اکسید گرافن، گزینشپذیری حسگر را افزایش میدهد؛ حلقههای آروماتیک آن با برهمکنش موسوم به «پی-پی» مولکولهای مزاحم را از سطح طلا دور میکنند، در حالی که گروههای کربوکسیل با بار منفی، گروه آمینی با بار مثبت دوپامین را جذب کرده و آن را در موقعیت مناسب برای انتقال الکترون قرار میدهند.
آزمایشها نشان داد که «سیدنی» در محلول بافر استاندارد قادر به تشخیص دوپامین تا حد ۲۹٫۵ نانومولار است و در مایع مغزی-نخاعی مصنوعی، که محیط یونی مغز را شبیهسازی میکند، این حساسیت به ۷٫۵۱ نانومولار افزایش مییابد. تداخل مولکولهایی مانند سروتونین و نوراپینفرین نیز بسیار ناچیز بود و کاهش سیگنال تنها ۳٫۳۳ درصد گزارش شد؛ رقمی که در الکترودهای معمولی به ۲۱ تا ۴۷ درصد میرسد.
پژوهشگران کارایی این پلتفرم را در سامانههای زیستی پیچیدهتر نیز آزمودند؛ از ردههای سلولی عصبی گرفته تا نورونهای مشتق از سلولهای بنیادی انسانی و در نهایت ارگانوئیدهای میانمغز. نتایج نشان داد که تنها نورونهای بالغ قادر به آزادسازی دوپامین قابل اندازهگیری هستند و ارگانوئیدهای بالغ ۹۵ روزه، بهطور میانگین غلظتی در حدود ۹٫۱۶ نانومولار دوپامین آزاد میکنند.
برتری بزرگ این فناوری در مقایسه با روشهای متداول، سرعت، دقت و غیرتخریبی بودن آن است. این سامانه در کمتر از یک دقیقه و با حجم نمونهای در حد میکرولیتر، دادههای قابل اعتماد ارائه میدهد و نمونه زنده را برای اندازهگیریهای بعدی حفظ میکند. به این ترتیب، امکان پایش رشد و بلوغ عملکردی یک ارگانوئید واحد در طول زمان فراهم میشود؛ قابلیتی که میتواند تحول بزرگی در مدلسازی بیماریها و آزمون داروها ایجاد کند.