4月18日，《科學(xué)進(jìn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xiàng)合作研究成果。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(xì)胞外鉀離子濃度變化直接反映神經(jīng)元電活動的改變，進(jìn)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(dú)特的優(yōu)勢，可以非侵入性地獲取細(xì)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(shí)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(xì)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(jìn)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(jìn)一步驗(yàn)證上述新型鉀離子納米探針的實(shí)用性，科研人員在小鼠偏頭痛模型和斑馬魚癲癇模型中運(yùn)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(kuò)散性抑制被認(rèn)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(kuò)布，前人工作還發(fā)現(xiàn)該過程中存在強(qiáng)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(jìn)一步了解皮層擴(kuò)散性抑制的機(jī)制提供了新技術(shù)手段。

    在癲癇研究領(lǐng)域，有觀點(diǎn)認(rèn)為細(xì)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(diǎn)一直難于驗(yàn)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(kuò)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(shí)時動態(tài)監(jiān)測的新方法。

    該項(xiàng)工作由杜久林組博士后劉佳男、副研究員尚春峰與上海硅酸鹽所助理研究員潘黎敏在杜久林、熊志奇以及施劍林、步文博的共同指導(dǎo)下完成。熊志奇研究組的陸斌、吳榮潔，蒲慕明研究組的馮蕓，杜久林研究組的陳瑋鈺、張榮偉、卜繼雯也做了重要貢獻(xiàn)。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(jī)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(shí)心二氧化硅和一層介孔二氧化硅?？涛g實(shí)心二氧化硅留下的空腔結(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(jī)理。外層薄膜只允許鉀離子進(jìn)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。

原文鏈接：《腦智卓越中心等研制出近紅外激發(fā)的納米探針》

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