Вольтамперометрия пригодится при изучении химии мозга

Наш мозг наводнён химическими веществами, которые передают сигналы от нейрона к нейрону. В целом это поражающая воображение сложнейшая система. Наука до сих пор не знает, как именно происходит конверсия сигнальных молекул, что управляет их поведением. Такое знание позволило бы лучше понять, как работает мозг, что могло бы поспособствовать развитию новых терапевтических средств, направленных на лечение таких недугов, как болезнь Паркинсона или сахарный диабет.

Молекула глюкозы и электрод (иллюстрация North Carolina State University).

Как же узнать, какие именно химические соединения присутствуют в мозге здесь и сейчас и что они там делают? Химики из Университета Северной Каролины (США) предложили простой и очень элегантный подход, который позволяет проводить измерения химических функций мозга в реальном времени. Метод вольтамперометрии даёт возможность осуществлять электрохимическое сканирование, используя углеродный микроэлектрод, который в десять раз тоньше человеческого волоса. Размер и форма наблюдаемых на вольтапмерометрическом графике пиков (регистрируется значение тока поляризации при известной величине приложенного напряжения) даёт информацию о количестве данного химического компонента и его природе. В итоге появляется возможность «увидеть» и провести точное изменение концентрации определённых веществ, не беспокоясь о влиянии, оказываемом другими соединениями.

Прекрасная идея! К сожалению, некоторые химические вещества, представляющие наибольший интерес (скажем, глюкоза), не поддаются определению с помощью электрохимических методов, в частности вольтамперометрии. Для решения этой проблемы учёные привязали к электроду специальные ферменты, взаимодействующие с глюкозой. В результате протекающей на поверхности электрода ферментативной реакции происходит образование пероксида водорода, который окисляется при приложении к электрического потенциала. Результирующий ток измеряется, и данные представляются в виде вольтамперограммы. Таким образом, при появлении на графике характеристического по форме пика, принадлежащего пероксиду водорода, можно утверждать, что обнаружена глюкоза (косвенный аналитический метод).

Обычно метод электрохимического сканирования требует 10–20 секунд на одно измерение, а предлагаемая авторами модификация (со сверхтонким электродом) позволяет проводить за секунду десять полных измерительных циклов. С такой скоростью можно наблюдать за флуктуациями химических веществ в мозгу в реальном времени. Преимущества угольного электрода здесь колоссальны. Во-первых, он дёшев и биологически и химически инертен. Во-вторых, при частоте импульсов 400 В/с на поверхности углерода возникает кислородный слой активированного кислорода, который действует в качестве катализатора, помогая окислять генерируемый ферментами пероксид водорода (странно, что кислород при этом не разрушает сами ферменты, находящиеся рядом на той же поверхности).

Учёные уже испытали свою систему на мозге грызунов, получив довольно интересные результаты. Глюкоза распределена в мозгу отнюдь не равномерно, её концентрации флуктуируют в широком диапазоне в течение очень коротких промежутков (доли секунд), что представляет собой скорость работы (мышиных) нейронов. Таким образом, по мнению исследователей, нормальное функционирование нашего мозга зависит в первую очередь от динамики глюкозного баланса и осуществления точного контроля над ней.

О динамике глюкозы в мозгу очень хотелось бы знать как можно больше. Около 70% больных диабетом демонстрируют, кроме того, нейронную дисфункцию. Наконец, глюкоза ассоциируется с такими недугами, как шизофрения и болезнь Альцгеймера. А потому вполне можно предположить, что глубокие знания о поведении глюкозы в головном мозге в итоге приведут к созданию эффективных терапевтических средств, направленных на лечение нейродегенеративных заболеваний.

Подготовлено по материалам Университета Северной Каролины.