Graphene field-effect transistors functionalization for neurotransmitter biosensing

Abstract

A compreensão de como o cérebro funciona é fundamental para o desenvolvimento de novos métodos de diagnóstico e terapêutica para as doenças que afetam o cérebro. O grafeno, devido às usas propriedades únicas, tem sido exponencialmente utilizado para novas aplicações biomédicas e é um material emergente para biossensores, incluindo no cérebro. A dopamina é um neurotransmissor, a mensagem química produzida pelas células no cérebro, envolvida em várias funções críticas como o controlo motor e a aprendizagem. Logo, alteração dos níveis de dopamina está relacionada com várias doenças que afetam o cérebro, incluindo Doença de Parkinson, esquizofrenia e abuso de substâncias. De forma a obter um método de deteção para dopamina mais seletivo e sensível, neste trabalho foi desenvolvido um novo sensor bio eletrónico. O canal de grafeno mono-camada de transístores de efeito de campo de porta líquida foi funcionalizado com uma sonda, o aptâmero de DNA específico para a dopamina. Quando o aptâmero se liga à dopamina, a redistribuição da carga eletrónica na superfície do grafeno gera uma mudança no campo elétrico que altera a condutividade eletrónica no canal e a resposta geral do dispositivo. Seguindo as alterações da condutividade com a adição de concentrações conhecidas de dopamina, definição das curvas de calibração dos sensores foi possível. Para tal, experiências de deteção de dopamina foram realizadas in vitro em solução salina de fosfato tampão e em líquido cefalorraquidiano artificial. No primeiro foi obtido um limite de deteção de 1 aM, o mais baixo reportado para um sensor de dopamina e no segundo o limite foi de 10 aM. A seletividade dos sensores também foi testada comparando as respostas da dopamina aos seus percursores, como L-Dopa e L-Tirosina, e a agentes interferentes como ácido ascórbico. O uso de um aptâmero específico para dopamina permitiu uma excelente seletividade, pois a resposta dos sensores a outras moléculas foi negligenciável. A excelente seletividade e sensibilidade dos nossos sensores permitiram também a realização de experiências ex vivo com amostras extraídas de murganhos. Os nossos sensores foram utilizados para demonstrar que a reserpina, uma droga que exauria a dopamina das sinapses neuronais, foi eficiente na redução do conteúdo de dopamina no líquido cefalorraquidiano de murganhos injetados com reserpina em 5 vezes quando comparado controlos. Foi também confirmada a habilidade dos nossos sensores em detetarem dopamina em meios complexos, através da adição de concentrações de dopamina artificial a homogeneizado de cérebro de murganhos tratados, tendo sido obtido um limite de deteção de 0.1 fM. Os resultados inovadores permitem-nos considerar experiências futuras num ambiente in vivo.

The understanding of how the brain works is fundamental for the development of new diagnostic and therapeutic methodologies for brain disorders. Graphene, due to its unique properties, is being increasingly used in a wide range of novel biomedical applications and is an emerging material for biosensing, including in the brain. Dopamine is a critical neurotransmitter, the chemical messages produced by brain cells, is dopamine, which is involved in various functions from motor control to learning. Thus, dopamine dysfunction underlies several brain disorders, including Parkinson’s Disease, schizophrenia and substance abuse. Striving to obtain a more sensitive and selective method of detection for dopamine, we engineered a new bioelectronic sensor for dopamine detection in this work. Electrolyte-gated graphene field-effect transistors’ monolayer graphene channel was functionalized with a molecular linker and a probe, a dopamine-specific DNA aptamer. When this receptor binds with dopamine, the redistribution of electronic charges on the graphene surface generates a change in the electric field which alters the electronic conductivity in the channel and overall device response. By tracking the changes in conductivity with the addition of known concentrations of dopamine calibration curves for our sensors were established. To do so, dopamine detection experiments were carried out in vitro in phosphate buffered saline solution and artificial cerebrospinal fluid electrolytic solutions. In PBS the obtained limit of detection (LOD) was of 1 aM, the lowest ever reported for a dopamine sensor, while in aCSF the LOD was of 10 aM. The sensors selectivity was also tested by comparing responses to dopamine with responses to dopamine precursors such as L-DOPA and L-tyrosine, and biological interferents as ascorbic acid. The use of a dopamine specific-aptamer allowed an outstanding selectivity, with the sensors producing negligeable responses to the other tested molecules. The excellent selectivity and sensitivity of our sensors allowed us the performance of ex vivo experiments with samples extracted from mice. Our novel sensors were used to show that reserpine, a drug that can deplete dopamine from brain synapses, was effective in reducing dopamine content in cerebrospinal fluid (CSF) extracted from reserpine injected mice by 5-fold compared with controls. Taking advantage of brain homogenate samples that were depleted of dopamine by the action of reserpine, the ability of our sensors to perform detection in such a complex media was confirmed by adding known concentrations of dopamine to these samples. Although an expected loss of sensitivity was observed, the LOD in these complex samples was of 0.1 fM. These ground-breaking results allow us to consider further experiments in an in vivo setting.