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熒光探針，一種可以點亮細胞世界的微觀探測工具，在激光顯微鏡下，熒光探針可以使細胞呈現出色彩斑斕的效果。通過熒光探針成像監(jiān)測，科學家能夠“看清”以前所不能見的新世界。
近日，《科學進展》在線報道我國科研人員開發(fā)了一種可用近紅外光激發(fā)的鉀離子熒光納米探針，并利用該探針成功監(jiān)測了斑馬魚和小鼠腦中伴隨神經活動的鉀離子濃度的動態(tài)變化。
新探針能夠只“盯住”鉀離子
細胞外液鉀離子濃度變化直接反映神經元電活動的改變，進而會影響神經元的興奮性和神經元間的突觸傳遞。因此，鉀離子濃度的改變可以從側面反應神經活動的異常，鉀離子成像是研究神經系統(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元間的相互作用。然而，現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用于大腦淺層。
另外，現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，無法實現針對鉀離子的特異性監(jiān)測?！耙虼?，需要發(fā)展新型鉀離子熒光探針，新型探針要由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。” 中國科學院腦科學與智能技術卓越創(chuàng)新中心/神經科學研究所研究員杜久林告訴科技日報記者。
為此，科研人員精細設計并制備了一種直徑85納米左右，具有三層核殼結構的高靈敏和特異鉀離子探針。該探針的三層核殼結構分別是內核上轉換發(fā)光納米顆粒、中間層鉀離子感應探針以及外層的鉀離子選擇性薄膜。杜久林介紹，內核上轉換發(fā)光納米顆?？梢詫⒔t外光轉換成可見光，正好作為中間層鉀離子熒光探針的激發(fā)光。外層2納米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其他陽離子（如鈉離子、鈣離子等）的抗干擾性能，可以說，這層薄膜賦予探針超高的鉀離子選擇性。
為探究神經元離子活動開辟新方法
為進一步驗證這種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監(jiān)測了大腦中鉀離子濃度的動態(tài)變化。
杜久林表示，皮層擴散性抑制被認為是引起偏頭痛的原因之一。除了大規(guī)模神經元放電活動在皮層內的擴布，以往的研究還發(fā)現該過程中存在著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，因此鉀離子濃度變化的時空規(guī)律一直沒有搞清楚。
研究人員應用新開發(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象，為進一步了解皮層擴散性抑制的機制提供了新技術手段。
與此同時，在癲癇研究領域，有觀點認為細胞外鉀離子濃度的升高，不僅是神經元劇烈放電的結果，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，這個觀點也一直難于驗證。
研究人員在癲癇斑馬魚模型上，通過雙色成像同時記錄到神經元活動和鉀離子濃度變化，發(fā)現在沒有癲癇式劇烈神經活動的腦區(qū)，也可以觀察到鉀離子濃度升高，從而支持了鉀離子擴散在大規(guī)模神經活動發(fā)作與傳播過程中的作用。
杜久林表示，這項研究工作為設計近紅外光激發(fā)的其他離子特異性探針提供了新思路，為探究神經元細胞內、外離子活動的變化開辟了實時動態(tài)監(jiān)測的新方法。（科技日報 記者陸成寬）
