Sensing serotonin secreted from human serotonergic neurons using aptamer-modified nanopipettes

5-羟色胺能 血清素 适体 神经传递 单胺类 受体 化学 生物 神经科学 神经递质 药理学 细胞生物学 生物化学 分子生物学 中枢神经系统
作者
Nako Nakatsuka,Kelly J. Heard,Alix Faillétaz,Dmitry Momotenko,János Vörös,Fred H. Gage,Krishna C. Vadodaria
出处
期刊:Molecular Psychiatry [Springer Nature]
卷期号:26 (7): 2753-2763 被引量:38
标识
DOI:10.1038/s41380-021-01066-5
摘要

The serotonergic system in the human brain modulates several physiological processes, and altered serotonergic neurotransmission has been implicated in the neuropathology of several psychiatric disorders. The study of serotonergic neurotransmission in psychiatry has long been restricted to animal models, but advances in cell reprogramming technology have enabled the generation of serotonergic neurons from patient-induced pluripotent stem cells (iPSCs). While iPSC-derived human serotonergic neurons offer the possibility to study serotonin (5-HT) release and uptake, particularly by 5-HT-modulating drugs such as selective serotonin reuptake inhibitors (SSRIs), a major limitation is the inability to reliably quantify 5-HT secreted from neurons in vitro. Herein, we address this technical gap via a novel sensing technology that couples 5-HT-specific DNA aptamers into nanopores (glass nanopipettes) with orifices of ~10 nm to detect 5-HT in complex neuronal culture medium with higher selectivity, sensitivity, and stability than existing methods. The 5-HT aptamers undergo conformational rearrangement upon target capture and serve as gatekeepers of ionic flux through the nanopipette opening. We generated human serotonergic neurons in vitro and detected secreted 5-HT using aptamer-coated nanopipettes in a low nanomolar range, with the possibility of detecting significantly lower (picomolar) concentrations. Furthermore, as a proof of concept, we treated human serotonergic neurons in vitro with the SSRI citalopram and detected a significant increase in extracellular 5-HT using the aptamer-modified nanopipettes. We demonstrate the utility of such methods for 5-HT detection, raising the possibility of fast quantification of neurotransmitters secreted from patient-derived live neuronal cells.
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