Electrochemical aptamer-based biosensing platforms for multiple neurotransmitters analysis

Hu, Ziheng; Simon, Ulrich; Offenhäusser, Andreas

doi:HT031266435

Electrochemical aptamer-based biosensing platforms for multiple neurotransmitters analysis

Hu, Ziheng^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ziheng Hu, M. Eng.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Simon, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH* ; Offenhäusser, Andreas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-08-14

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-07238
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1017243/files/1017243.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Neurologische Erkrankungen sind in Industrieländern weit verbreitet und verursachen erhebliche Kosten für die Gesundheitssysteme. Neurotransmitter (NTs) sind die grundlegenden chemischen Botenstoffe im Nervensystem und für die Signalübertragung zwischen Neuronen verantwortlich. NTs sind zudem für verschiedene mentale Funktionen, darunter Verhalten und Wahrnehmung, unerlässlich. Sie werden von Neuronen freigesetzt, um Signale über Synapsen von einer Zelle zur anderen zu übertragen. Es wird angenommen, dass abnormale NT-Werte mit vielen neuronalen Erkrankungen wie Parkinson, Huntington, Herzrhythmusstörungen, Schilddrüsenhormonmangel, Depressionen und Angstzuständen in Zusammenhang stehen. Es ist von entscheidender Bedeutung, einen praktikablen Ansatz zu entwickeln, um die quantitative Erkennung der NT mit hoher Sensitivität und Spezifität zu realisieren. In dieser Arbeit werden elektrochemische Biosensoren auf Aptamerbasis für die Analyse mehrerer NTs entwickelt. Unter Verwendung von Aptameren als Biorezeptoren und Polyethylenglykol (PEG)-Molekülen als Passivierungsmoleküle zur Herstellung des Biosensors zeigten die konstruierten Aptasensoren eine verbesserte Sensorleistung, insbesondere in komplexen Umgebungen als herkömmliche NT-Sensoren. Das Sensorkonzept wurde dann auf Mikroelektrodenarrays (MEAs) zur gleichzeitigen Erkennung mehrerer NT bzw auf intraretinale Sonden für in-vitro-Anwendungen übertragen. Zunächst wurde ein elektrochemischer Aptasensor entwickelt, der eine PEG-funktionalisierte Goldmakroelektroden verwendet. Die Zusammensetzung der gemischten Aptamer/PEG-Monoschicht wurde durch Variation der Inkubationszeit optimiert. Eine kurze Inkubation konnte die unspezifische Bindung zwischen Aptamermoleküle und Goldelektrode nicht erleichtern effektiv unterdrücken, während eine überlange Inkubation eine hochdichte PEG-Schicht induzierte und die Aptamerflexibilität einschränkte, wodurch die Analytbindungsfähigkeit verringert wurde. Mit einer mittleren Immobilisierungszeit von 4 h zeigt der vorgeschlagene Aptasensor eine empfindliche Erkennung des Ziels Serotonin über einen breiten Konzentrationsbereich hinweg gepaart mit einer niedrigen Nachweisgrenze. Außerdem wies die PEG-beschichtete fest/flüssig Grenzfläche eine hohe Biofouling-Resistenz in menschlicher Serumlösung und künstlicher Zerebrospinalflüssigkeit auf. Um die gleichzeitige Erkennung mehrerer NTs zu erreichen, wurde ein MEAs-Chip mit mehreren Kanälen als Biosensorplattform verwendet, um die Immobilisierung verschiedener Aptamerrezeptoren zu erleichtern. Um die Rezeptorbeladung zu erhöhen, wurden Goldnanostrukturen auf die Mikroelektroden galvanisch abgeschieden, wodurch die aktive Oberfläche vergrößert wurden. Eine potenzialimpulsunterstützte Immobilisierung basierend auf alternierenden Potentialpulsen wurde für eine ortsselektive Abscheidung von drei verschiedenen Aptameren auf spezifischen Elektroden desselben MEA-Chips verwendet. Diese Aptasensoren können Serotonin mit einer LOD von 8 pM erkennen, während die Nachweisgrenzen für Glutamat 32 pM und Dopamin 412 nM betrugen. Darüber hinaus wurde die Fähigkeit demonstriert, die NTs gleichzeitig auf einem einzigen Chip mit minimaler Interferenzen zu bestimmen. Darüber hinaus zeigten die MEA-Chips durch die Verwendung von PEG als Blockierungsmolekül hohe Antifouling-Eigenschaften und behielt die Detektionsfähigkeiten in den komplexen Matrizen bei. Das langfristige Ziel bei der Entwicklung von Aptasensoren für die Detektion von Neurotransmitter besteht darin, eine empfindliche und selektive Detektion dynamischer NT-Konzentrationen in Echtzeit in Nervensystemen zu ermöglichen. Um ihre praktische Anwendbarkeit in biologischen Systemen zu beurteilen, wurde der beschriebene elektrochemische Aptasensorkonzept für die in-vitro-Detektion von Glutamat in Retinaproben von Mäusen eingesetzt. Um die Invasivität und die biologischen Auswirkungen der Elektrodenimplantation ins Gewebe zu minimieren, wurde eine intraretinale Sonde unter Verwendung eines Parylen-C-Substrats (PaC) als Biosensorplattform hergestellt. Glutamat-spezifische Aptamere wurden mithilfe der potentialpulsunterstützten Ablagerungsmethode auf der Sonde immobilisiert. Anschließend wurden PEG-Moleküle abgeschieden, um unspezifische Adsorption von Matrixkomponenten zu minimieren. Die anderen Elektroden der Sonde zeichneten gleichzeitig elektrophysiologische Signale auf, was eine dualmodale Ausgabe ermöglichte. Die intraretinale Sonde wurde verwendet, um Änderungen der Glu-Freisetzungsdynamik unter unterschiedlichen Lichtbedingungen neben der entsprechenden elektrophysiologischen Aktivität zu überwachen. Die Reaktion des Sensors auf Glu-Schwankungen demonstrierte die Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit der intraretinalen Sonde. Darüber hinaus lieferte die Integration elektrochemischer und elektrophysiologischer Daten ergänzende Einblicke in die neuronale Funktion und stellt ein leistungsfähiges Instrument zur Erforschung der Netzhautphysiologie und zu neurochemischen Interaktionen dar.

Neurological disorders are very prevalent in European region and generate a significant cost for the health care systems. Neurotransmitters (NTs) are the fundamental chemical messengers in the nervous system, responsible for transmitting signals between neurons. NTs are also essential for various mental functions, including behavior and cognition. They are released from neurons to transmit signals from one cell to another via synapses. It is assumed that abnormal levels of NTs are associated with many neuronal disorders, such as Parkinson’s, Huntington’s, arrhythmias, thyroid hormone deficiency, depression and anxiety. It is of crucial importance to develop a feasible approach to realize the quantitative detection of the NTs with high sensitivity and specificity. In this thesis, electrochemical aptamer-based biosensors are developed for multiple NTs analysis. Utilizing aptamers as bioreceptors and polyethylene glycol (PEG) molecules as blocking agents to establish the biosensing interface. The constructed aptamer sensor (aptasensor) exhibited high sensing performance, also in complex environments. The detection system was then translated into microelectrode arrays (MEAs) and flexible intraretinal probe for simultaneous detection of multiple NTs and in vitro applications. Firstly, an electrochemical aptasensor was developed using a PEG-functionalized sensing interface based on gold macroelectrodes. The composition of the aptamer/PEG mixed monolayer was optimized by means of varying the incubation time. A short time could not facilitate the effective cleavage between surface bound aptamer and gold electrode, while prolonged incubation induced high-density PEG layer and restricted aptamer flexibility, thereby diminishing the analyte binding capability. With intermediate 4 h immobilization time, the proposed aptasensor showed a sensitive detection for the target serotonin with a wide dynamic range and low detection limit. The enhanced biofouling resistance of the PEG containing receptor layer was validated by tests performed in human serum solution and artificial cerebrospinal fluid (aCSF). To achieve the simultaneous detection of multiple NTs, MEA chips with multiple channels were used as biosensing platforms to facilitate the immobilization of different aptamer receptors on the same chip for a multianalyte detection. To increase the receptor loading, gold nanostructures were electrodeposited onto the microelectrodes, enhancing the active surface area and electrode morphology. A potential-pulse-assisted immobilization procedure based on alternating potentials was developed for a site-selective deposition of three different aptamers onto specific electrodes of the same MEAs chip. These aptasensors were used for the detection of serotonin with a LOD of 8 pM, while the detection limits for glutamate and dopamine were 32 pM and 412 nM, respectively. Additionally, the ability of the aptamer-functionalized MEAs to simultaneously monitor these NTs on a single chip with minimal crosstalk and interference was demonstrated. Furthermore, by using PEG as a blocking molecule, the MEAs chip showed enhanced antifouling properties in comparison to other blocking molecules and maintained detection capabilities in the complex matrices. The long-term objective of the development of NTs aptasensors is to enable real-time, sensitive, and selective detection of dynamic NT concentrations in nervous systems. To assess their practical applicability in biological systems, the designated electrochemical aptasensor was employed for in vitro detection of glutamate in mice retinal samples. To minimize the insertion footprint and biological impact, an intraretinal probe was fabricated using a parylene-C (PaC) substrate as the biosensing platform. Glu-specific aptamers were immobilized onto the probe using a potential-pulse assisted deposition method, complemented by PEG molecules to minimize nonspecific adsorption. The other electrodes of the probe simultaneously recorded electrophysiological signals, enabling dual-modal output. The intraretinal probe was used to monitor changes in glutamate release dynamics under varying light conditions, alongside corresponding electrophysiological activity. The response of the sensor to glutamate fluctuations demonstrated the sensitivity and reliability of the intraretinal probe. Furthermore, the integration of electrochemical and electrophysiological data provided complementary insights into neuronal function, offering a powerful tool for advancing research in retinal physiology and neurochemical interactions.

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