研究人员开发了多种钾离子 (K + ) 探针，用于检测各种生物过程中K +浓度的波动。然而，这种探针不够灵敏，无法检测活体动物的生理波动，而且目前使用的短波长激发监测深层组织并不容易。在一份新报告中，刘建南和神经科学、化学和分子工程研究人员团队描述了一种用于活细胞和动物近红外 (NIR) K +离子成像的高灵敏度和选择性纳米传感器。该团队通过封装上转换纳米粒子来构建纳米传感器(UCNPs) 和商业钾离子指示剂在介孔二氧化硅纳米粒子的空腔中，并用 K +选择性过滤膜涂覆它们。膜从介质中吸附 K +并过滤掉任何干扰阳离子。在其作用机制中，UCNP 将 NIR 转换为紫外 (UV) 光以激发钾离子指示剂，并检测培养细胞和疾病动物模型(包括小鼠和斑马鱼幼虫)中钾离子浓度的波动。结果现在发表在《科学进展》上。
最丰富的细胞内阳离子钾 (K + )在各种生物过程中极其重要，包括神经传递、心跳、肌肉收缩和肾功能。细胞内或细胞外K +浓度(本文称为[K + ])的变化表明生理功能异常，包括心脏功能障碍、癌症和糖尿病。因此，研究人员热衷于开发有效的策略来监测 [K + ] 波动的动态，特别是直接光学成像。
大多数现有探针在生理条件下对 K +检测不敏感，并且无法区分 [K + ] 和伴随的钠离子 ([Na + ]) 在Na + /K +泵中跨膜传输期间的波动。虽然荧光寿命成像可以区分水溶液中的K +和 Na +，但该方法需要专门的仪器。大多数 K +传感器也可以用短波长光激活包括紫外线 (UV) 或可见光——在检查活组织时会导致显着的散射和有限的穿透深度。相比之下，所提出的近红外 (NIR) 成像技术将在深部组织成像过程中提供独特的优势，作为一种可行的替代方案。
设计 K +纳米传感器并表征其结构
为了设计纳米传感器，刘等人。将上转换纳米粒子(UCNP) 和商业 K +指示剂——钾结合的间苯二甲酸苯并呋喃 (PBFI) 封装到介孔二氧化硅纳米粒子 (MSN) 的核心中。UCNPs能够将NIR光转化为UV光，并通过发光共振能量转移激发K +指示剂的受体。他们用一层薄薄的 K +选择性过滤膜保护二氧化硅纳米粒子的外表面，该膜具有由羰基氧产生的微孔，以实现特异性。该设置有利于K +的自由转移通过膜孔，同时防止其他生物相关的阳离子扩散通过。该技术使他们能够检测溶液中 [K + ] 的轻微波动。该团队使用透射电子显微镜(TEM) 在纳米传感器构建的每个步骤中观察纳米颗粒的良好控制的结构和外观。动态光散射证实了屏蔽纳米传感器表面存在过滤膜。
该团队测试了屏蔽纳米传感器在生理范围(0 到 150 mM)内增强的灵敏度，与未屏蔽纳米传感器相比，荧光强度增加了 12 倍。K +探针必须对 Na +显示出高选择性，Liu 等人。使用屏蔽纳米传感器通过快速检测对波动 [K + ] 的一致荧光灵敏度进行验证，同时不受增加 [Na + ] 的影响。
由于活细胞依赖钠钾腺苷三磷酸酶(Na + /K +泵)来维持质膜上陡峭的 [K + ] 梯度，因此该过程是细胞能量消耗的部分原因。细胞能量代谢的缺陷会导致 [K + ] 梯度的损失，同时产生称为 [K + ] 0 的细胞外 [K + ] ，科学家们对其进行监测以获得细胞活力和生长的宝贵指标。此后，他们通过接枝聚乙二醇 (PEG)提高了纳米传感器检测细胞死亡或增殖率的特异性在含有人胚胎肾293 细胞系的培养基中的纳米传感器表面。然后，他们通过锚定大量的纳米传感器的使用上细胞膜优化协议链霉抗缀合的纳米传感器以生物素修饰的细胞。结果强调了屏蔽纳米传感器的灵敏度提高，以连续监测 K +流出。
然后，该团队应用屏蔽纳米传感器来研究小鼠大脑中的皮质扩散抑制 (CSD)作为神经活动的波状传播。该过程通常涉及皮质表面K +的缓慢传播释放，并且可以通过氯化钾 (KCl) 孵化在小鼠大脑中触发。科学家们通过手术颅窗同时监测局部场电位和光信号，并观察到一波增加的 [K + ] 0刺激后逐渐通过皮层传播。刘等人。未在注射未屏蔽纳米传感器的小鼠中观察到波，表明外部过滤器对于提高纳米传感器灵敏度的重要性。记录的波速与使用血氧水平依赖性磁共振成像 (MRI) 在偏头痛先兆患者中获得的值没有显着差异。
为了扩展纳米传感器的应用，Liu 等人。使用斑马鱼幼虫监测神经元钙水平和细胞外钾浓度。虽然细胞外钾浓度的大量增加会引起强烈的神经元激活，从而导致 CSD 和癫痫，但没有直接证据表明疾病期间细胞外钾的变化。因此，该团队使用斑马鱼幼虫设计了一种疾病模型，以增加细胞外钾浓度，并观察特定大脑区域的疾病特征性神经元激活。
通过这种方式，Jianan Liu 及其同事设计了一种具有极高灵敏度和选择性的钾离子纳米传感器。选择性过滤膜的外部涂层增强了该装置的选择性、灵敏度和动力学，用于在活细胞和完整大脑中进行快速和定量的 [K + ] 检测。屏蔽纳米传感器将在大脑研究中具有广泛的应用，以提高对异常 [K + ] 相关疾病的理解。该方法与基于光纤的内窥镜和光度计相结合，将允许在自由移动的动物中进行实时钾成像。