Nieuwe techniek brengt activiteit zenuwcellen scherper in beeld

Onderzoekers van de TU Delft hebben een nieuwe manier gevonden om elektrische signalen in levende cellen zichtbaar te maken. Met nano-antennes kunnen zij de fluorescentie van lichtgevende eiwitten versterken, waardoor veranderingen in cellen nauwkeuriger zijn te volgen. De techniek kan vooral van belang zijn voor onderzoek naar zenuwcellen. De elektrische activiteit die eerder al met fluorescente eiwitten zichtbaar kon worden gemaakt, wordt zo sterker en beter meetbaar.

De onderzoekers combineren daarmee twee technologieën die tot nu toe vooral los van elkaar werden gebruikt. Fluorescente eiwitten lichten op wanneer een zenuwcel verandert van elektrische spanning. Door daar nano-antennes bij te plaatsen, wordt het uitgezonden licht versterkt. Dat biedt onderzoekers een nieuwe manier om processen in levende cellen te volgen. De studie is gepubliceerd in Advanced Materials.

Om signalen in de hersenen te kunnen volgen is zowel een hoge resolutie als een snelle opname nodig. “Bestaande methodes om voltage in cellen te bekijken geven vaak niet genoeg licht of reageren niet snel of sterk genoeg op de kleine elektrische pulsjes in synapsen”, aldus hoofdonderzoeker Daan Brinks.

Spanningsgevoelige eiwitten

Eerste auteurs Marco Locarno en Qiangrui Dong bereikten een doorbraak door nano-antennes vlak bij lichtgevende, spanningsgevoelige eiwitten te plaatsen. Hierdoor werd het licht tot zes keer versterkt, waardoor onderzoekers processen in levende zoogdiercellen veel nauwkeuriger kunnen volgen. De cellen blijven daarbij in leven en functioneren normaal terwijl ze worden onderzocht.

De stap van nanofotonica naar levende cellen bleek technisch complex volgens Brinks. De nano-antennes moeten een specifieke vorm en afmeting hebben en chemisch stabiel blijven. Bovendien moeten ze precies op de juiste plek in de cel terechtkomen, zonder de cel te verstoren. De onderzoekers combineerden daarvoor computermodellen met chemische technieken en biologische experimenten. Die aanpak maakte het mogelijk om de nano-antennes gericht te koppelen aan de spanningsgevoelige eiwitten.

Tien keer sneller reageren

De onderzoekers ontdekten bovendien dat de spanningsgevoelige eiwitten niet alleen feller oplichtten, maar ook ongeveer tien keer sneller reageerden op veranderingen in elektrische spanning. Dat kwam als een verrassing. Eerdere pogingen om de snelheid van deze eiwitten via genetische aanpassingen te verhogen, leverden slechts beperkte winst op. De aanwezigheid van een nanodeeltje bleek een veel grotere versnelling mogelijk te maken.

Daarmee ontstaat een nieuwe manier om de werking van eiwitten te beïnvloeden: niet alleen door hun genetische eigenschappen aan te passen, maar ook door er een nanostructuur bij te plaatsen. Volgens de onderzoekers zou die aanpak mogelijk ook bij andere eiwitten kunnen worden toegepast, bijvoorbeeld bij eiwitten die betrokken zijn bij het doorgeven van signalen of het transporteren van stoffen in cellen.

Hersenonderzoek

Voor het hersenonderzoek betekent de hogere reactiesnelheid dat elektrische activiteit op een kleinere schaal kan worden gevolgd, tot op het niveau van synapsen waar neuronen informatie uitwisselen. De technologie kan daarmee nieuwe mogelijkheden bieden om te onderzoeken hoe het brein informatie verwerkt en wat er op microscopisch niveau gebeurt bij onder meer leren en geheugen.

Begin vorig jaar schreven we over een andere ontdekking bij de TU Delft. Het brein kan snel leren en zich aanpassen doordat neuronen netwerken vormen en voortdurend signalen met elkaar uitwisselen. Onderzoekers van de TU Delft ontwikkelden met dat gegeven een 3D-geprinte, hersenachtige omgeving waarin neuronen groeien zoals in echte hersenen. Het model biedt nieuwe inzichten in de manier waarop neuronen zulke netwerken vormen en kan mogelijk worden ingezet bij onderzoek naar neurologische aandoeningen zoals Alzheimer, de ziekte van Parkinson en autismespectrumstoornissen.