发布时间：2020-05-09
（科技日报记者 陆成宽） 荧光探针，一种可以点亮细胞世界的微观探测工具，在激光显微镜下，荧光探针可以使细胞呈现出色彩斑斓的效果。通过荧光探针成像监测，科学家能够“看清”以前所不能见的新世界。
近日，《科学进展》在线报道我国科研人员开发了一种可用近红外光激发的钾离子荧光纳米探针，并利用该探针成功监测了斑马鱼和小鼠脑中伴随神经活动的钾离子浓度的动态变化。
新探针能够只“盯住”钾离子
细胞外液钾离子浓度变化直接反映神经元电活动的改变，进而会影响神经元的兴奋性和神经元间的突触传递。因此，钾离子浓度的改变可以从侧面反应神经活动的异常，钾离子成像是研究神经系统功能及其异常的新手段。
在众多监测方法中，荧光成像具有独特的优势，可以非侵入性地获取细胞外离子浓度动态变化的时空信息，从而多尺度揭示脑部神经元间的相互作用。然而，现有的钾离子探针只能用紫外或可见光激发，因其在活组织中易于被吸收和散射而只能应用于大脑浅层。
另外，现有的钾离子探针抗干扰性差，选择低，尤其难以区分钠、钾离子，无法实现针对钾离子的特异性监测。“因此，需要发展新型钾离子荧光探针，新型探针要由具备更高穿透深度的近红外光激发，而且对钾离子具有特异性响应。” 中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心/神经科学研究所研究员杜久林告诉科技日报记者。
为此，科研人员精细设计并制备了一种直径85纳米左右，具有三层核壳结构的高灵敏和特异钾离子探针。该探针的三层核壳结构分别是内核上转换发光纳米颗粒、中间层钾离子感应探针以及外层的钾离子选择性薄膜。杜久林介绍，内核上转换发光纳米颗粒可以将近红外光转换成可见光，正好作为中间层钾离子荧光探针的激发光。外层2纳米厚的薄膜只允许钾离子进出纳米探针，极大地提高了探针对体内其他阳离子（如钠离子、钙离子等）的抗干扰性能，可以说，这层薄膜赋予探针超高的钾离子选择性。
为探究神经元离子活动开辟新方法
为进一步验证这种新型钾离子纳米探针的实用性，科研人员在小鼠偏头痛模型和斑马鱼癫痫模型中运用该纳米探针监测了大脑中钾离子浓度的动态变化。
杜久林表示，皮层扩散性抑制被认为是引起偏头痛的原因之一。除了大规模神经元放电活动在皮层内的扩布，以往的研究还发现该过程中存在着强烈的钾离子浓度变化。由于离子选择性电极制备困难，且只能在极少位置同时采集信号，因此钾离子浓度变化的时空规律一直没有搞清楚。
研究人员应用新开发的高灵敏和特异钾离子探针，在近红外光激发下观察到了钾离子浓度变化以平面波形式传播的现象，为进一步了解皮层扩散性抑制的机制提供了新技术手段。
与此同时，在癫痫研究领域，有观点认为细胞外钾离子浓度的升高，不仅是神经元剧烈放电的结果，也是癫痫发作和传播的起因之一。但由于缺乏灵敏而特异的探针，这个观点也一直难于验证。
研究人员在癫痫斑马鱼模型上，通过双色成像同时记录到神经元活动和钾离子浓度变化，发现在没有癫痫式剧烈神经活动的脑区，也可以观察到钾离子浓度升高，从而支持了钾离子扩散在大规模神经活动发作与传播过程中的作用。
杜久林表示，这项研究工作为设计近红外光激发的其他离子特异性探针提供了新思路，为探究神经元细胞内、外离子活动的变化开辟了实时动态监测的新方法。
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