新型近紅外激發納米探針成功監測生物鉀離子濃度變化

　　4月18日，《科學進展》期刊在線發表了題為《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，報道了中國科學院腦科學與智能技術卓越創新中心（神經科學研究所）、上海腦科學與類腦研究中心、神經科學國家重點實驗室杜久林研究組、熊志奇研究組與中國科學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成果。該研究開發了一種可用近紅外光激發的鉀離子熒光納米探針，成功監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變化。

　　細胞外鉀離子濃度變化直接反映神經元電活動的改變，進而又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另外一個側面反應神經活動的異常，鉀離子成像成為研究神經系統功能及其異常的新手段。在眾多監測方法中，熒光成像具有獨特的優勢，可以非侵入性地獲取細胞外離子濃度動態變化的時空信息，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，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，尤其難以區分鈉鉀離子，無法實現針對鉀離子的特異性監測。因此，急需發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，而且對鉀離子具有特異性響應。

　　為此，科研人員精細設計并制備了具有三層（上轉換發光納米顆粒@鉀離子感應探針@鉀離子選擇性薄膜）核殼結構的球狀納米探針，總直徑為85 nm左右。內核上轉換發光納米顆粒可以將近紅外光轉換成可見光，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。除了大規模神經元放電活動在皮層內的擴布，前人工作還發現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律并不清楚。研究人員應用新開發的高靈敏和特異鉀離子探針，在近紅外光激發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。

　　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元活動和鉀離子濃度變化，發現在沒有癲癇式劇烈神經活動的腦區，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模神經活動發作與傳播過程中的作用。

　　該研究工作同時為設計近紅外光激發的其他離子特異性探針提供了新思路，為探究神經元中離子活動開辟了實時動態監測的新方法。

　　該項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。該工作得到中國科協、國家自然科學基金委員會、科技部、中科院和上海市的資助。

圖注：鉀離子納米探針的設計以及感應機理。(A) 鉀離子納米探針的制備過程。上轉換發光顆粒NaYF4:Yb/Tm@NaYF4:Yb/Nd 表面連續包裹一層實心二氧化硅和一層介孔二氧化硅。刻蝕實心二氧化硅留下的空腔結構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探針。(B) 鉀離子納米探針的感應機理。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。在近紅外光激發下，內核上轉換發光顆粒發出的紫外光可作為鉀離子熒光指示劑的激發光，從而賦予探針近紅外光激發的功能。