GABAA receptor nanovesicle-based biosensors for mimicking GABAergic neurotransmission

Abstract

나노베시클-탄소나노튜브 전계 효과 트랜지스터 혼합 센서(nanovesicle-carbon nanotube field-effect transistor hybrid device) 는 GABAA (γ-aminobutyric acid type A) 이온성 수용체의 활성에 대한 자리 선택성 (site-selective) 약물 효과를 평가하기 위해 개발되었다. 이 연구에서 혼합 센서는 GABAA 수용체를 포함한 세포 유래 나노베시클을 탄소 나노튜브 전계 효과 트랜지스터의 채널 영역에 고정하여 제작되었다. 이 센서는 GABA (γ-aminobutyric acid)를 높은 민감도 (sensitivity)와 선택성 (selectivity)을 가지며 검출해냈고, 검출한계는 ~1 aM이었다. 게다가 센서로부터 얻어낸 용량 의존적 신호를 표준화 하여, α5β2γ2의 하부단위 (subunit)로 구성된 GABAA 수용체의 민감도가 α1β2γ2 조합의 수용체보다 높음을 알아냈다. 구체적으로, 최대 신호 값의 50%를 만들어 내는 GABA 농도 (EC50)는 α5β2γ2 과 α1β2γ2 조합에서 각각 ~10 pM과 ~1 nM이었다. 의미 있게도, GABAA 수용체의 길항제와 작용제에 의한 두 효과가 해당 약물들의 존재 또는 부재 시 EC50 값을 비교하여 평가되었다. GABA 결합 자리에 결합하는 경쟁적 길항제 (competitive antagonist)는 GABA의 EC50 값을 증가시켰고, 반면, GABA와 다른 자리에 결합하는 다른 자리성 작용제 (allosteric agonist)는 이 값을 감소시켰다. 요약하면, 이 연구에서 개발된 혼합 센서는 GABA 작동성 신경전달을 조절하는 약물 후보 물질들에 대한 잠재성 평가를 효율적으로 할 수 있을 것으로 기대된다.|In this study, a nanovesicle-carbon nanotube field-effect transistor (CNT-FET) hybrid device was developed to assess site-selective effects of drugs on the activities of γ-aminobutyric acid type A (GABAA) ionotropic receptors. The hybrid device was fabricated by immobilizing cell-derived nanovesicles containing GABAA receptors on the channel region of a CNT-FET. The device could selectively detect GABA with a high sensitivity and a detection limit of ~1 aM. Furthermore, by normalizing the dose-dependent responses obtained from the device, the sensitivity of GABAA receptors composed of α5β2γ2 subunits was found to be higher than that of the α1β2γ2 combination. Specifically, the GABA concentrations producing 50% of the maximal response (EC50) were ~10 pM and ~1 nM for the α5β2γ2 and α1β2γ2 combinations, respectively. Significantly, both antagonism and agonism effects on GABAA receptors were assessed by comparing the EC50 values of GABA in the presence or absence of drugs. A competitive antagonist that binds to the GABA binding site increased the EC50 value of GABA, whereas an allosteric agonist that binds to another site decreased this value. In summary, the hybrid device developed in this study can efficiently assess the potential profiles of drug candidates that regulate GABAergic neurotransmission.