Neurotransmitters and proteins interactions in sensing

Abstract

Neurotransmitters are key molecules in the functioning of the nervous system and changes in their normal levels are associated with a wide range of neurological and mental diseases. To understand, diagnose and treat these problems better, research into neurotransmitters needs to be improved. Electrochemical sensors are a promising option for measuring neurotransmitters because they are accurate, fast and cost-effective. However, the use of electrochemical sensors in biological samples is limited by issues such as biofouling, meaning the attachment of unwanted molecules to the sensor surface. Biofouling degrades both the condition of the sensors and their signal, leading to inaccurate results. This thesis examines the effect of proteins on the measurement of neurotransmitters with electrochemical sensors. It focuses on the interactions of four neurotransmitters - dopamine, serotonin, glutamate and acetylcholine - with proteins. The aim of the thesis is to provide an overview of the different mechanisms underlying the interactions between neurotransmitters and proteins and the challenges these interactions cause for neurotransmitter detection. It also presents examples of solution that have been developed to overcome these challenges. The conclusions of the thesis imply that there are several solutions to prevent the biofouling of sensors by proteins, the most important of which are the use of nanomaterials and different antifouling coatings. The challenge is to develop sensors that both effectively prevent biofouling and allow accurate detection of neurotransmitters. More research is needed in the future to develop electrochemical sensors and in particular solutions that prevent protein biofouling.

Välittäjäaineet ovat keskeisiä molekyylejä hermoston toiminnassa, ja muutokset niiden tavanomaisissa pitoisuuksissa ovat yhteydessä lukuisiin neurologisiin ja psyykkisiin sairauksiin. Jotta näitä ongelmia voitaisiin ymmärtää, diagnosoida ja hoitaa paremmin, välittäjäaineiden tutkimista tulee kehittää. Elektrokemialliset sensorit ovat lupaava vaihtoehto välittäjäaineiden mittaamisessa, sillä ne ovat tarkkoja, nopeita ja kustannustehokkaita. Biologisissa näytteissä elektrokemiallisten sensorien käyttöä rajoittaa kuitenkin esimerkiksi biolikaantuminen, eli epätoivottujen molekyylien tarttuminen sensorin pintaan. Biolikaantuminen heikentää sekä sensorien kuntoa että niiden signaalia, mikä johtaa mittaustulosten vääristymiseen. Tämä tutkielma tarkastelee erityisesti proteiinien vaikutusta välittäjäaineiden mittaamiseen elektrokemiallisilla sensoreilla. Tutkielmassa keskitytään neljän välittäjäaineen – dopamiinin, serotoniinin, glutamaatin ja asetyylikoliinin – vuorovaikutuksiin proteiinien kanssa. Tutkielman tarkoituksena on luoda katsaus erilaisiin mekanismeihin välittäjäaineiden ja proteiinien vuorovaikutusten taustalla ja siihen, mitä haasteita nämä vuorovaikutukset aiheuttavat välittäjäaineiden mittaamisessa. Lisäksi tutkielmassa esitellään esimerkkejä ratkaisuista, mitä haasteiden selvittämiseksi on kehitetty. Tutkielman johtopäätöksinä voidaan todeta, että sensorien biolikaantumista proteiinien vaikutuksesta voidaan estää monilla ratkaisuilla, joista merkittävämpiä ovat nanomateriaalien käyttö ja erilaiset antifouling-pinnoitteet. Haasteena on saada kehitettyä sensoreita, jotka samanaikaisesti sekä estävät tehokkaasti biolikaantumista että mahdollistavat välittäjäaineiden tarkan mittaamisen. Elektrokemiallisten sensorien kehittäminen ja erityisesti proteiinien biolikaantumista estävät ratkaisut tarvitsevatkin tulevaisuudessa lisää tutkimusta.