Biosensoren zur Messung des Neurotransmitters Dopamin


Hausarbeit, 2017

11 Seiten, Note: 1,7


Leseprobe

Inhalt

Kurzfassung

Abstract

1 Einleitung
1.1 Bedeutung der Transmitterforschung
1.2 Hypothese

2 Stand der Wissenschaft
2.1 Informationsübertragung im menschlichen Gehirn
2.1.1 Neuronen
2.1.2 Synapsen
2.1.3 Chemische Botenstoffe
2.2 Neurotransmitter Dopamin
2.2.1 Hirnareale mit Dopamin
2.2.2 Bedeutung von Dopamin
2.2.3 Krankheitsbilder in Folge einer Dopamindysregulation
2.3 Biosensoren
2.3.1 Begriff
2.3.2 Quantitative / qualitative Analyse sowie direkte und indirekte Messung (Messverfahren)

3 Stand der Technik der Dopamin-Messung
3.1 FSCV - Fast-scan cyclic voltammetry (zyklische Voltammetrie)
3.2 Kohlenstoff-Nanosensor-Array beschichtet mit einer DNA-Sequenz

4 Diskussion
4.1 Gegenüberstellung der beschriebenen Messmethoden
4.2 Vergleich mit anderen Methoden
4.3 Technische Herausforderungen
4.4 Kritische Diskussion

5 Fazit

4 Literatur

Kurzfassung

Dieser Beitrag beschäftigt sich mit verschiedenen Messverfahren zur Bestimmung des Neurotransmitters Dopamin. Der Grundlagenteil der Arbeit erläutert, wie Nervenzellen über Synapsen kommunizieren. Anschließend wird auf chemische Botenstoffe (die Neurotransmitter) in den Synapsen eingegangen, wobei für diese Arbeit insbesondere die Bedeutung von Dopamin herausgearbeitet wird. Hierzu gehören auch Erkrankungen, die mit einer Dopamindysregulation in Verbindung gebracht werden. Das Grundlagenkapitel endet mit einer allgemeinen Einführung in das Thema der Biosensoren mit ihren biologischen Signalgebern und gängigen Signalwandlern. Im Hauptteil der Arbeit werden elektrochemische Messverfahren für Dopamin beschrieben. Im Diskussionsteil der Arbeit erfolgt die Auseinandersetzung mit den einzelnen Messverfahren, den jeweiligen technischen Herausforderungen und ihrer kritischen Betrachtung.

Schlagworte: Dopamin, Rezeptoren, FSCA, Kohlenstoff-Nanosensor-Array, Dopamindysregulation

Abstract

This paper discusses different methods measuring the neurotransmitter dopamine. In the theoretical part it is described how neurons communicate through synapses. Subsequently it is especially outlined how chemical messengers (neurotransmitters) are released and act in the synapses, whereby the importance of dopamine is presented in detail. This includes disorders related to the dysregulation of dopamine. The fundamental chapter concludes with a general introduction to biosensors with their biological receptors and common transducers. The main part of the paper deals with electrochemical measurement methods for dopamine followed by a critical appraisal of individual measuring procedures and the resulting technical challenges.

1 Einleitung

1.1 Bedeutung der Transmitterforschung

Otto Loewi entdeckte 1921, dass durch elektrische Stimulation des Vagusnervs1 eines Froschherzens, zeitversetzt die identische Herzfrequenz an einem zweiten Froschherz aufgezeichnet werden konnte, auch wenn Herz 2 allein über eine Flüssigkeitsbrücke mit Herz 1 verbunden war [1]. Bild 1 zeigt den experimentellen Aufbau. Durch den elektrischen Stimulus beginnt Herz 1 langsamer zu schlagen. Nach kurzem Zeitverzug schlägt Herz 2 ebenfalls langsamer [1]. Loewi nahm an, dass die elektrische Stimulation zur Freisetzung eines chemischen Stoffes in die Flüssigkeit geführt hatte. Der Nachweis von Botenstoffen als Neurotransmitter war gelungen [1]. 1936 erhielt Loewi zusammen mit dem Forscher Dale für diese Entdeckung, aus der abgeleitet werden konnte, dass die Weiterleitung von Nervenimpulsen chemisch erfolgt, den Medizinnobelpreis [2]. Sie hatten “...etwas zur damaligen Zeit völlig Unvorstellbares nachgewiesen […] und einen grundlegend neuen Zweig der Medizin begründet[…]– die Neuromedizin“ [19]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1 Loewis Experiment [28]

Einen hohen Bekanntheitsgrad erreichte die Neuromedizin insbesondere durch das Schicksal des Mathematikers John Forbes Nash. Er litt unter einer psychotischen Erkrankung, die mit sehr starken Wahnvorstellungen verbunden war.

„Einer der Botenstoffe, der für das Denken und die Gefühle zuständig ist, ist das Dopamin. Man nimmt an, dass bei psychotischen Erkrankungen der Dopaminstoffwechsel gestört ist.“ [34]. In Kapitel 2.2.3 dieser Arbeit wird darauf eingegangen, wie eine Dopamindysregulation zu Störungen des Denkens und Wahrnehmens bishin zu Trugwahrnehmungen führen kann.

Jedoch erleben die Betroffenen den Wahnzustand nicht generell als unerträglich, was ein Zitat von Nash unterstreicht [13]:

„People are always selling the idea that people with mental illness are suffering. I think madness can be an escape. If things are not so good, you maybe want to imagine something better. In madness I thought I was the most important person in the world.”

(John Forbes Nash)

1.2 Hypothese

Als Hypothese für die beabsichtigten Inhalte und den Aufbau der vorliegenden Arbeit soll gelten:

Messmethoden für den Neurotransmitter Dopamin im Gehirn eröffnen verbesserte Möglichkeiten der Therapie, Medikamentendosierung und Forschung zur Transmitterfreisetzung.

2 Stand der Wissenschaft

2.1 Informationsübertragung im menschlichen Gehirn

2.1.1 Neuronen

Das menschliche Gehirn verfügt über mehr als 10 Milliarden Nervenzellen [32, S. 91]. Diese Hochleistungszellen des Gehirns werden in den Naturwissenschaften als Neuronen bezeichnet. Sie sind für die Weiterleitung, Verarbeitung und Speicherung von Informationen essentiell [32, S.79]. Bild 2 zeigt den Aufbau einer solchen Nervenzelle.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 2 Aufbau einer Nervenzelle [23, S. 46]

Über Axonen erfolgt eine elektrische Reizweiterleitung „durch eine gerichtete Abfolge von Aktionspotenzialen.“ [32, S. 84].

Eine nicht erregte Nervenzelle hat ein Ruhepotenzial von -70mV zum extraplasmatischen Raum [32, S. 81].

2.1.2 Synapsen

Entsprechend der Anzahl der Nervenzellen existiert ein Vielfaches an Vernetzungspunkten zwischen den Zellen. Die Verbindungsstellen der Axone sind die Synapsen, die durch einen 10 bis 50nm breiten Spalt voneinander getrennt sind [19, S. 128]. Bild 3 zeigt, dass sich in der Anatomie die Unterteilung in den prä- und postsynaptischen Teil durchgesetzt hat. Entsprechend wird das elektrische Signal am gegenüberliegenden Ende auch postsynaptisches Potenzial (PSP) genannt [32, S. 86].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3 Erregungsübertragung in einem Neuron [19, S. 115]

Die Erregungsübertragung innerhalb eines Neurons und über die Synapsen zu weiteren Neuronen erfolgt zu einem Zeitpunkt t1 immer in eine Richtung [19, S. 128]. Entlang dieser Richtung werden die einzelnen Aktionspotenziale zeitlich und räumlich aufsummiert [19, S. 132]. Beim Aktionspotenzial (AP) handelt es sich um ein „Alles-oder-Nichts-Signal“ [19, S. 116].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 4 Zeitliche Summation von Aktionspotenzialen [19, S. 132]

Illustriert wird dies in Bild 4. „Erst nach dem Eintreffen von drei APs in schneller Folge über das Axon (1) ist durch zeitliche Summation der EPSPs die Depolarisation der Membran des Axonhügels ausreichend, um ein neues Aktionspotenzial aufzubauen.“ [19, S.132]

EPSP = erregendes postsynaptisches Potenzial

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 5 Räumliche Summation von Aktionspotenzialen [19, S.132]

Die Depolarisation der Membran und der damit einhergehende Aufbau eines neuen Aktionspotenzials, erfolgt bei der räumlichen Summation wiederum durch das zeitgleiche Eintreffen von AP1 und AP2

2.1.3 Chemische Botenstoffe

Die elektrische Erregung eines Aktionspotenzials setzt in den Synapsen chemische Botenstoffe frei: die Transmitter [32, S. 86]. Diese Neurotransmitter durchqueren den synaptischen Spalt und werden im postsynaptischen Teil von spezifischen Rezeptoren aufgenommen. Jeder Typ Neurotransmitter hat genau einen passenden Typ Rezeptoren, wie Bild 6 verdeutlicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 6 Schlüssel-Schloss-Prinzip bei Rezeptoren [32]

Wird der Rezeptor durch den Botenstoff besetzt, erfolgt über Ionenkanäle2 die Rückwandlung des chemischen Signals in ein elektrisches Aktionspotenzial. Dieser Vorgang findet in jeder Millisekunde milliardenfach im menschlichen Gehirn statt.

2.1.4 Modifikation neuronaler Nachrichten

Es gibt eine Reihe von Medikamenten und Drogen, die die Nachrichtenweiterleitung in der Synapse modifizieren.

Zu dieser Gruppe Medikamente gehören Psychopharmaka, die man zur Behandlung psychischer Erkrankungen verwendet. Sie können unterteilt werden in [34]:

- Neuroleptika
- Tranquilizer / Sedativa / Benzodiazepine
- Antidepressiva
- Medikamente zur Phasenvorbeugung
- Anti-Parkinson-Medikamente

Daneben gibt es eine Reihe an exogenen Drogen, die neuronal aufputschen, wie zum Beispiel Kokain, das zur Gruppe der Amphetamine gehört [33, S. 154].

Bild 7 illustriert wie neuronale Botschaften (a) auf zwei Wegen modifiziert werden können [25]:

- Durch Steigerung der Potenz des Neurotransmitters: Arzneimittel- Agonisten (b)
- Durch Reduktion der Wirksamkeit des Neurotransmitters: Arzneimittel- Antagonisten (c)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 7 Modifikation neuronaler Nachrichten [25]

2.2 Neurotransmitter Dopamin

2.2.1 Hirnareale mit Dopamin

Der Neurotransmitter Dopamin wird im Mittelhirn, genauer in der Substantia nigra, gebildet [33, S. 28]. Folgerichtig ist der Botenstoff besonders in der Substantia nigra nachweisbar, jedoch auch im Striatum, das sich aus den in Bild 8 dargestellten Arealen Nucleus caudatus und Putamen zusammensetzt [33, S. 151]. Auch in diesen Arealen ist Dopamin nachweisbar, da beide Hirnareale über neuronale Netze miteinander verbunden sind [21].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 8 Lokalisation von Dopaminneuronen in Nucleus arcuatus, Substantia nigra und dem ventralen Tegmentumbereich mit Verbindungsbahnen (blau) in andere Hirnareale [21]

2.2.2 Bedeutung von Dopamin

Nach aktuellem Stand der Wissenschaft spielt Dopamin eine zentrale Rolle bei der Motivation, der Bewegung sowie im Lernsystem und der Selbstbelohnung [33, S. 151]. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass ein medikamentös erhöhter Dopaminspiegel bei Parkinson-Patienten zu gesteigerter Kreativität und Schaffensdrang führte. „Auch bei Gesunden hängt die Kreativität nachweislich mit dopaminabhängigen Signalwegen im Gehirn zusammen. Dopamin erhöht vermutlich die Flexibilität im Denken und die Motivation, sich künstlerisch zu betätigen.“ [29]

Zusammenfassend lenkt Dopamin [33, S. 151]:

- Selbstbelohnung im Lernsystem und dadurch Beeinflussung der Motivation
- Seelisch-körperlichen Antrieb (emotional drive)
- Emotionale und motorische Spontaneität; Konzentrations- und Reaktionsfähigkeit; verbesserte Sinneswahrnehmung
- Scharfes Denken, differenzierte Meinungsbildung
- Erweiterte Fantasie und Kreativität bis hin zu visionärem Erleben
- Angstlösend und antidepressiv, Tendenz zu gehobener Stimmung und Glücksgefühl
- Sexuell ausgleichend
- Energieverbrauchend, gewichtsreduzierend
- Vegetativ harmonisierend; ausgeprägte Stabilisierung des Herz-Kreislauf-Systems
- Stimulierung von weißen Blutkörperchen (Leukozyten) und damit Verstärkung der Immunabwehr
- Harmonisierung der Körperbewegungen; Koordinierung und Veredelung der Feinmotorik
- Steuerung der instinktiven (unwillkürlichen) Bewegungskontrolle des Muskeltonus

2.2.3 Krankheitsbilder in Folge einer Dopamindysregulation

Auf Veränderungen im Dopamin-Stoffwechsel, also Änderungen in der Transmitterfreisetzung, reagiert der Körper sehr anfällig.

Ist das empfindliche Gleichgewicht gestört, können Krankheiten des Bewegungsapparates auftreten, genauso wie Störungen der Motivation, Gefühl innerer Leere oder Halluzinationen. Bei der Krankheit Parkinson produziert der Körper zu wenig Dopamin. In der Folge leiden die Patienten und Zittern und ihre Bewegungsabläufe sind gehemmt bis ruckartig erschwert. Dagegen kippt das Verhältnis bei sogenannten psychotischen Erkrankungen in die entgegengesetzte Richtung: es wird zuviel Dopamin in den synaptischen Spalt freigesetzt [34].

Verabreicht man Patienten mit einer Überproduktion von Dopamin hingegen Neuroleptika, die einen Teil der Dopamin-Rezeptoren besetzen, dann können wiederum parkinsonähnliche Symptome wie Zittern und unkontrollierte Bewegungen auftreten.

Die Erfassung der Dynamik der Dopaminfreisetzung hat somit enormes Potenzial für eine individuelle Therapie der Patienten. Darüber hinaus eröffnet die Erfassung von Dopamin die Möglichkeit die Art und Weise wie Dopamin kodiert ist zu erforschen, zum Beispiel bei den Unterschieden in der Motivation und dem Lernverhalten bei Gesunden und Kranken [28, S. 1113].

2.3 Biosensoren

2.3.1 Begriff

„Ein Biosensor ist ein komplexer Messfühler, der sich biologische oder biochemische Effekte zu Nutze macht und in ein messbares Sensorsignal umwandelt.“ [8, S. 551]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 9 Schematischer Aufbau eines Biosensors [9]

Bild 9 zeigt den schematischen Aufbau eines solchen Sensors. Auch wenn Biosensoren in den letzten Jahren technisch ausgefeilter wurden, so ist der Kern eines jeden Biosensors gleich [9]: sie verfügen über ein biologisches Erkennungssystem (Signalgeber) und einen Signalwandler (Transducer) [26].

Wie in Bild 9 dargestellt, haben Biosensoren in den letzten Jahren darüber einen Verstärker (Amplifier) in den Aufbau übernommen [9]

„[Dem biologischen Erkennungssystem] …liegt fast immer das Schloß-Schlüssel-Prinzip zugrunde, d.h. Moleküle werden im wesentlichen nach ihrer Form identifiziert. Die Selektivität von Biosensoren ist erstaunlich. Bioaktive Stoffe können eine ganz bestimmte Substanz in einer Matrix aus Millionen anderer Stoffe zuverlässig erkennen.“ [7, S. 183]

Tabelle 1 veranschaulicht eine Reihe an möglichen biologischen Signalgebern (Rezeptoren3 ), den messbaren Effekt sowie eine Reihe verschiedener Transducer:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1 Beispiele für die Kombinatorik von Biosensoren [Eigene Aufstellung in Anlehnung an [26] und [8])

2.3.2 Quantitative / qualitative Analyse sowie direkte und indirekte Messung (Messverfahren)

Zunächst gibt es Biosensoren für die qualitative Anlayse, die den Nachweis erbringen, ob ein biologischer Stoff vorhanden ist. Biosensoren für quantitative Analysen weisen darüber hinaus nach, in welcher Konzentration Stoffe vorliegen.

Je nach Anforderung an ein technisches Modell, eignen sich direkte wie auch indirekte Messmethoden,

Die Elektrode eines Herzschrittmachers, die direkt mit dem Herzmuskel verbunden ist, greift die elektrische Erregung am Herzmuskel ab und zeichnet die elektrische Spannung als Funktion der Zeit auf (EKG).

Nicht immer eignet sich eine direkte Messmethode oder ist für den Patienten zu invasiv4. „[Oder es gibt] keine Möglichkeit, den Messwert direkt zu ermitteln. [Bei der indirekten Messung] bedient man sich einer physikalischen Eigenschaft, die sich zu der zu messenden Größe in einem definierten Verhältnis befindet.“ [5]

Ein Schwangerschaftstest macht sich dieses Prinzip zu Nutze: Ein Teststreifen reagiert ab einer bestimmten Konzentration des Hormons hCG im Urin. HCG eignet sich für den Nachweis der Frühschwangerschaft, da es „die Plazenta etwa 48 Stunden nach der Einnistung einer befruchteten Eizelle produziert.“ [18]

3 Stand der Technik der Dopamin-Messung

3.1 FSCV - Fast-scan cyclic voltammetry (zyklische Voltammetrie)

Bei der zyklischen Voltammetrie wird an einer Arbeitselektrode gezielt eine Dreiecksspannung angelegt. „Der Strom I (bzw. dieses Potenzial φ) aufrecht zu erhalten, wird registriert und gegen die vorgegebene Spannung aufgetragen.“ [10] Potentiometrische Messungen erfolgen in der Regel in einer Anordnung aus Arbeitselektrode, Referenzelektrode und Gegenelektrode [10].

[...]


1 10. Hirnnerv (an der Regulation der Tätigkeit fast aller Organe beteiligt)

2 Dopaminrezeptoren sind Ionenkanal-gekoppelt. Das bedeutet, dass „[…] sie sich in aktivierter Form kurzfristig öffnen oder schließen; sie sind an der Umsetzung chemischer in elektrische Signale beteiligt und führen dadurch z.B. zur Auslösung eines Nervenimpulses“ [14]

3 Rezeptor aus dem Lateinischen receptor = Empfänger [14]

4 „Unter Verletzung der äußeren oder inneren Körperoberfläche eindringend (Gegenteil: nicht-invasiv) z.B. ist Ultraschall eine nicht-invasive Untersuchungsmethode, die Herzkatheteruntersuchung dagegen eine invasive.“ [4]

Ende der Leseprobe aus 11 Seiten

Details

Titel
Biosensoren zur Messung des Neurotransmitters Dopamin
Note
1,7
Autor
Jahr
2017
Seiten
11
Katalognummer
V456273
ISBN (eBook)
9783668927599
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Dopamin, Rezeptoren, FSCA, Kohlenstoff-Nanosensor-Array, Dopamindysregulation
Arbeit zitieren
Stefanie Quast (Autor), 2017, Biosensoren zur Messung des Neurotransmitters Dopamin, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/456273

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