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近日，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、步文博研究組合作完成了一項(xiàng)研究。該項(xiàng)研究開發(fā)出來了一種可以用近紅外光激發(fā)的新型鉀離子熒光納米探針，利用這一新型納米探針，研究團(tuán)隊(duì)成功監(jiān)測(cè)了斑馬魚和小鼠腦中伴隨性神經(jīng)活動(dòng)的鉀離子濃度變化。相關(guān)研究成果可在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上查閱。
據(jù)了解，鉀離子是人體細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外基質(zhì)中的主要陽離子，動(dòng)物體內(nèi)98%的鉀存在于細(xì)胞內(nèi)。而心肌和神經(jīng)肌肉都需要有相對(duì)恒定的鉀離子濃度來維持正常的應(yīng)激性。當(dāng)血清鉀過高時(shí)，對(duì)心肌有抑制作用，可使心跳在舒張期停止，血清鉀過低能使心肌興奮，可使心跳在收縮期停止。血鉀對(duì)神經(jīng)肌肉的作用則與心肌正好相反。因此，鉀離子濃度的改變可以從側(cè)面反映神經(jīng)活動(dòng)的異常，其成像可以成為研究神經(jīng)系統(tǒng)功能的新切入口。
當(dāng)前，鉀離子的檢測(cè)方法有焰色反應(yīng)、離子選擇性電位分析法、火焰光度法、原子吸收分光光度法等，但是這些檢測(cè)分析方法容易受到其他金屬元素的干擾，或者受限于檢測(cè)儀器的相關(guān)要求，故而檢測(cè)精確度有限。為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，達(dá)到有效檢測(cè)鉀離子濃度狀態(tài)的目的，近些年來市場(chǎng)上推出了專門針對(duì)鉀離子檢測(cè)用的細(xì)胞鉀離子濃度熒光定量檢測(cè)試劑盒。該類檢測(cè)試劑盒的監(jiān)測(cè)原理為，鉀離子敏感性熒光探針與鉀離子結(jié)合后，其熒光強(qiáng)度會(huì)顯著增強(qiáng)，然后利用熒光分光光度儀來觀察相對(duì)熒光峰值的變化，從而達(dá)到有效檢測(cè)細(xì)胞內(nèi)鉀離子濃度變化的目的。
然而，不容忽視的是，現(xiàn)有的鉀離子探針在活組織中容易被吸收和探測(cè)而只能應(yīng)用于大腦淺層，因此只能使用紫外或者可見光來激發(fā)。此外，現(xiàn)有的鉀離子探針普遍具有抗干擾性差、選擇低，難以有效區(qū)分鈉鉀離子，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)鉀離子的特異性監(jiān)測(cè)等缺陷。因此，亟需研發(fā)新的鉀離子熒光納米探針，并使用更高穿透力的光束來激發(fā)。
在眾多穿透力強(qiáng)的電磁波中，研究人員們終選擇了近紅外光，利用近紅外光來激發(fā)鉀離子熒光探針。據(jù)了解，近紅外光是一種介于可見光(VIS)和中紅外光(MIR)之間的電磁波。在此次研究過程中，研究人員們精心制備了總直徑為85 nm左右的三層核殼結(jié)構(gòu)的球狀納米探針。值得一提的是，該探針的內(nèi)核上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米顆?？梢詫⒔t外光轉(zhuǎn)換成可見光，同時(shí)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，大大提高了設(shè)備的抗干擾能力。
為進(jìn)一步驗(yàn)證該新型鉀離子熒光納米探針的實(shí)用性，研究人員們利用該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了對(duì)小鼠偏頭痛模型和斑馬魚癲癇模型大腦中存在的鉀離子濃度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。在近紅外光的激發(fā)下，研究人員從偏頭痛型小鼠大腦中觀察到了鉀離子濃度變化以平面波形式傳播的現(xiàn)象，這一研究發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步了解皮層擴(kuò)散性抑制的機(jī)制提供了新的技術(shù)手段。而在觀察具有癲癇的斑馬魚大腦時(shí)則印證了鉀離子擴(kuò)散在大規(guī)模神經(jīng)活動(dòng)發(fā)作與傳播過程中的作用機(jī)制。
綜上，此次科研成果為探究動(dòng)物大腦神經(jīng)元中的鉀離子的動(dòng)態(tài)變化提供了新的監(jiān)測(cè)方法。這意味著，沿著這一研究方向不斷邁進(jìn)，未來或許有望解決諸多疑難的神經(jīng)性疾病。
資料來源參考：中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心、高校與高等教育、百度百科
(原標(biāo)題：好消息！用于近紅外光激發(fā)的新型鉀離子納米探針出爐)
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