發(fā)布時間：2020-04-16
2020年4月18日，《科學(xué)進展》期刊在線發(fā)表了題為《高靈敏和特異的納米探針用于近紅外鉀離子成像》的研究論文，報道了中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（神經(jīng)科學(xué)研究所）、上海腦科學(xué)與類腦研究中心、神經(jīng)科學(xué)國家重點實驗室杜久林研究組、熊志奇研究組與中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所施劍林、步文博研究組的一項合作研究。該研究開發(fā)了一種可用近紅外光激發(fā)的鉀離子熒光納米探針，成功監(jiān)測了斑馬魚和小鼠腦中伴隨神經(jīng)活動的鉀離子濃度的動態(tài)變化。
細胞外鉀離子濃度變化直接反映神經(jīng)元電活動的改變，進而又影響神經(jīng)元的興奮性和神經(jīng)元間的突觸傳遞。因此，鉀離子濃度的改變可以從另外一個側(cè)面反應(yīng)神經(jīng)活動的異常，鉀離子成像成為研究神經(jīng)系統(tǒng)功能及其異常的新手段。在眾多監(jiān)測方法中，熒光成像具有獨特的優(yōu)勢，可以非侵入性地獲取細胞外離子濃度動態(tài)變化的時空信息，從而多尺度揭示腦部神經(jīng)元間的相互作用。然而，現(xiàn)有的鉀離子探針只能用紫外或可見光激發(fā)，因其在活組織中易于被吸收和散射而只能應(yīng)用于大腦淺層。另外，現(xiàn)有的鉀離子探針抗干擾性差，選擇低，尤其難以區(qū)分鈉鉀離子，無法實現(xiàn)針對鉀離子的特異性監(jiān)測。因此，急需發(fā)展新型鉀離子熒光探針，其要具備更高穿透深度的近紅外光激發(fā)，而且對鉀離子具有特異性響應(yīng)。
為此，科研人員精細設(shè)計并制備了具有三層（上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米顆粒@鉀離子感應(yīng)探針@鉀離子選擇性薄膜）核殼結(jié)構(gòu)的球狀納米探針，總直徑為85 nm左右。內(nèi)核上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米顆粒可以將近紅外光轉(zhuǎn)換成可見光，正好作為中間層鉀離子熒光探針的激發(fā)光。外層2 nm厚的薄膜只允許鉀離子進出納米探針，極大地提高了探針對體內(nèi)其他陽離子（如鈉離子，鈣離子等）的抗干擾性能，因此這層薄膜賦予探針超高的鉀離子選擇性。
為進一步驗證上述新型鉀離子納米探針的實用性，科研人員在小鼠偏頭痛模型和斑馬魚癲癇模型中運用該納米探針檢測了大腦中鉀離子濃度的動態(tài)變化。皮層擴散性抑制被認為是引起偏頭痛的原因。除了大規(guī)模神經(jīng)元放電活動在皮層內(nèi)的擴布，前人工作還發(fā)現(xiàn)該過程中存在強烈的鉀離子濃度變化。由于離子選擇性電極制備困難，且只能在極少位置同時采集信號，鉀離子濃度變化的時空規(guī)律并不清楚。研究人員應(yīng)用新開發(fā)的高靈敏和特異鉀離子探針，在近紅外光激發(fā)下觀察到了鉀離子濃度變化以平面波形式傳播的現(xiàn)象，為進一步了解皮層擴散性抑制的機制提供了新技術(shù)手段。
在癲癇研究領(lǐng)域，有觀點認為細胞外鉀離子濃度的升高，不僅是神經(jīng)元劇烈放電的結(jié)果，也是癲癇發(fā)作和傳播的起因之一。但由于缺乏靈敏而特異的探針，這個觀點一直難于驗證。研究人員在癲癇斑馬魚模型上，通過雙色成像同時記錄神經(jīng)元活動和鉀離子濃度變化，發(fā)現(xiàn)在沒有癲癇式劇烈神經(jīng)活動的腦區(qū)，也可以觀察到鉀離子濃度升高，從而支持鉀離子擴散在大規(guī)模神經(jīng)活動發(fā)作與傳播過程中的作用。
該研究工作同時為設(shè)計近紅外光激發(fā)的其他離子特異性探針提供了新思路，為探究神經(jīng)元中離子活動開辟了實時動態(tài)監(jiān)測的新方法。
該項工作由杜久林組劉佳男博士后、尚春峰副研究員與上海硅酸鹽研究所潘黎敏助理研究員在杜久林研究員、熊志奇研究員以及上海硅酸鹽研究所的施劍林研究員、步文博研究員的共同指導(dǎo)下完成。熊志奇研究組陸斌博士、吳榮潔，蒲慕明研究組的馮蕓，杜久林研究組的陳瑋鈺博士、張榮偉博士、卜繼雯也做了重要貢獻。該工作得到中國科協(xié)、國家自然科學(xué)基金委員會、科技部、中科院和上海市的資助。
圖注：鉀離子納米探針的設(shè)計以及感應(yīng)機理。(A) 鉀離子納米探針的制備過程。上轉(zhuǎn)換發(fā)光顆粒NaYF4:Yb/Tm@NaYF4:Yb/Nd 表面連續(xù)包裹一層實心二氧化硅和一層介孔二氧化硅。刻蝕實心二氧化硅成留下的空腔結(jié)構(gòu)可裝載鉀離子熒光指示劑。最后，外表面包裹一層鉀離子特異性的薄膜即成鉀離子納米感應(yīng)探針。(B) 鉀離子納米探針的感應(yīng)機理。外層薄膜只允許鉀離子進出納米探針，同時排斥其他陽離子。在近紅外光激發(fā)下，內(nèi)核上轉(zhuǎn)換發(fā)光顆粒發(fā)出的紫外光可作為鉀離子熒光指示劑的激發(fā)光，從而賦予探針近紅外光激發(fā)的功能。
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