La voltamperometría cíclica de barrido rápido ( FSCV ) es una voltamperometría cíclica con una velocidad de barrido muy alta (hasta1 × 10 6 V · s −1 ). [1] La aplicación de una alta velocidad de exploración permite la adquisición rápida de un voltamograma en varios milisegundos y garantiza una alta resolución temporal de esta técnica electroanalítica . Rutinariamente se emplea una velocidad de adquisición de 10 Hz.
El FSCV en combinación con microelectrodos de fibra de carbono se convirtió en un método muy popular para la detección de neurotransmisores , hormonas y metabolitos en sistemas biológicos. [2] Inicialmente, el FSCV se utilizó con éxito para la detección de la liberación de aminas biogénicas electroquímicamente activas en células cromafines ( adrenalina y noradrenalina ), cortes de cerebro ( 5-HT , dopamina , norepinefrina ) e in vivo en animales anestesiados o despiertos y comportándose ( dopamina ). . Otros perfeccionamientos del método han permitido la detección de cambios de 5-HT , HA , norepinefrina , adenosina , oxígeno y pH in vivo en ratas y ratones, así como la medición de la concentración de dopamina y serotonina en moscas de la fruta .
En la voltamperometría cíclica de barrido rápido (FSCV), se inserta un pequeño electrodo de fibra de carbono (escala micrométrica) en células vivas, tejido o espacio extracelular . [3] Luego, el electrodo se usa para aumentar y disminuir rápidamente el voltaje en forma de onda triangular. Cuando el voltaje está en el rango correcto (normalmente ±1 voltio), el compuesto de interés se oxidará y reducirá repetidamente. Esto dará como resultado un movimiento de electrones en solución que finalmente creará una pequeña corriente alterna (escala de nanoamperios). [4] Al restar la corriente de fondo creada por la sonda de la corriente resultante, es posible generar una gráfica de voltaje versus corriente que sea única para cada compuesto. [5] Dado que se conoce la escala de tiempo de las oscilaciones de voltaje, esto puede usarse para calcular una gráfica de la corriente en solución en función del tiempo. Las concentraciones relativas del compuesto se pueden calcular siempre que se conozca el número de electrones transferidos en cada reacción de oxidación y reducción.
Ventajas como la especificidad química, la alta resolución y las sondas no invasivas hacen del FSCV una técnica poderosa para detectar concentraciones químicas cambiantes in vivo. [3] La especificidad química del FSCV se deriva de los potenciales de reducción . Cada compuesto tiene un potencial de reducción único, por lo que el voltaje alterno se puede configurar para seleccionar un compuesto en particular. [5] Como resultado, el FSCV se puede utilizar para medir una variedad de compuestos biológicos eléctricamente activos, como catacolaminas, indolaminas y neurotransmisores . [3] También se pueden detectar cambios de concentración con respecto al ácido ascórbico , oxígeno , óxido nítrico e iones de hidrógeno ( pH ). [2] Incluso se puede utilizar para medir varios compuestos al mismo tiempo, siempre que uno tenga un potencial redox positivo y el otro negativo . La alta resolución se logra cambiando el voltaje a velocidades muy altas, lo que se conoce como velocidad de exploración rápida. Las velocidades de escaneo para FSCV están en la escala de menos de un segundo, oxidando y reduciendo compuestos en microsegundos. Otra ventaja del FSCV es su capacidad para usarse in vivo. Los electrodos típicos consisten en pequeñas agujas de fibra de carbono que tienen micrómetros de diámetro y pueden insertarse de forma no invasiva en tejidos vivos. [2] El tamaño del electrodo también le permite sondear regiones cerebrales muy específicas. Por tanto, el FSCV ha demostrado ser eficaz para medir las fluctuaciones químicas de los organismos vivos y se ha utilizado junto con varios estudios de comportamiento.
Los rangos aceptables de voltaje y corriente son limitaciones comunes de FSCV. Para empezar, el potencial eléctrico debe permanecer dentro del rango de voltaje de la electrólisis del agua (Eo = ± 1,23). Además, la corriente resultante debe permanecer baja para evitar la lisis celular y la despolarización celular . [4] La voltamperometría cíclica de barrido rápido también está limitada porque solo realiza mediciones diferenciales; las corrientes que mide son sólo relativas al fondo, por lo que no pueden usarse para cuantificar concentraciones en reposo. Esto se debe en parte al hecho de que los niveles de corriente basales se ven afectados en gran medida por factores como el pH, por lo que durante períodos de tiempo más largos estos valores tienden a variar. La edad del electrodo también es importante y las sondas tienden a ser menos precisas cuanto más se utilizan.
Esta técnica también se limita a cuantificar las concentraciones de compuestos eléctricamente activos y solo puede usarse con moléculas seleccionadas en sistemas biológicos. A pesar de esto, se han desarrollado métodos para medir niveles de enzimas no eléctricas que tienen un sustrato electroactivo . [4] Sin embargo, en este escenario, las sondas de electrodos también son un factor limitante en la resolución de los datos. Cuando se mide un sustrato electroactivo, la sonda suele estar recubierta con su enzima correspondiente. Para evitar que la enzima interactúe con diferentes sustratos, el electrodo también está recubierto con un polímero que actúa como filtro selectivo contra tipos particulares de iones. Sin embargo, cuando se agrega este polímero, se reduce la velocidad a la que se pueden realizar los escaneos de voltaje y se reduce efectivamente la resolución de los datos.
FSCV se utiliza para monitorear cambios en la concentración de dopamina en el cerebro de mamíferos en tiempo real con una sensibilidad de hasta 1 nM. [6] Usar una velocidad de adquisición de 10 Hz es lo suficientemente rápido como para muestrear la dinámica de la liberación y eliminación de neurotransmisores. La acción farmacológica de fármacos dopaminérgicos como los agonistas y antagonistas de los receptores D1 y D2 ( racloprida , haloperidol ) y bloqueadores de los transportadores de dopamina ( cocaína , nomifensina , GBR 12909 ) podría evaluarse con FSCV. La rápida tasa de adquisición también permite el estudio de la dinámica de la dopamina durante el comportamiento.
Con FSCV se estudiaron los efectos de los psicoestimulantes (cocaína, anfetamina y metanfetamina ), opioides ( morfina y heroína ), cannabinoides , alcohol y nicotina sobre la neurotransmisión dopaminérgica y el desarrollo de la drogadicción.
La dopamina es un neurotransmisor primario que media en el aprendizaje, el comportamiento dirigido a objetivos y la toma de decisiones. El seguimiento de la concentración de dopamina in vivo en animales con FSCV que se comportan bien revela la codificación de la dopamina en el proceso de toma de decisiones del cerebro. [7] [8]
FSCV se utiliza para estudiar la dinámica de la exocitosis de noradrenalina y adrenalina de las células cromafines; liberación de serotonina de los mastocitos ; liberación de 5-HT en cortes de cerebro; liberación de 5-HT en el cerebro de roedores y moscas de la fruta anestesiados; Liberación de norepinefrina en el cerebro de roedores anestesiados y que se mueven libremente.