Meget følsom nanosensor registrerer subtile kaliumændringer i hjernen

Forskere har udviklet en række kaliumioner (K ⁺ ) sonder til at detektere svingende K ⁺ koncentrationer under en række biologiske processer. Imidlertid, sådanne sonder er ikke følsomme nok til at detektere fysiologiske udsving i levende dyr, og det er ikke let at overvåge dybe væv med excitationer med kort bølgelængde, der er i brug indtil nu. I en ny rapport, Jianan Liu og et team af forskere inden for neurovidenskab, kemi, og molekylær teknik i Kina, beskrive en meget følsom og selektiv nanosensor for nær infrarød (NIR) K ⁺ ionbilleddannelse i levende celler og dyr. Holdet konstruerede nanosensoren ved at indkapsle upconversion -nanopartikler (UCNP'er) og en kommerciel kaliumionindikator i det hule hulrum af mesoporøse silica -nanopartikler og belægge dem med en K ⁺ selektiv filtermembran. Membranen adsorberede K ⁺ fra mediet og filtrerede eventuelle forstyrrende kationer væk. I sin virkningsmekanisme, UCNP'er konverterede NIR til ultraviolet (UV) lys for at ophidse kaliumionindikatoren og detektere svingende kaliumionkoncentrationer i dyrkede celler og i dyremodeller af sygdomme, herunder mus og zebrafisklarver. Resultaterne er nu offentliggjort den Videnskab fremskridt .

Det mest rigelige intracellulære kationkalium (K ⁺ ) er ekstremt afgørende i en række biologiske processer, herunder neuraltransmission, hjerteslag, muskelsammentrækning og nyrefunktion. Variationer i det intracellulære eller ekstracellulære K ⁺ koncentration (heri betegnet [K ⁺ ]) foreslår unormale fysiologiske funktioner, herunder hjertedysfunktion, Kræft, og diabetes. Som resultat, forskere er ivrige efter at udvikle effektive strategier til at overvåge dynamikken i [K ⁺ ] udsving, specifikt med direkte optisk billeddannelse.

De fleste eksisterende sonder er ikke følsomme over for K ⁺ påvisning under fysiologiske forhold og kan ikke differentiere udsving mellem [K ⁺ ] og den medfølgende natriumion ([Na ⁺ ]) under transmembrantransport i Na ⁺ /K ⁺ pumper. Mens fluorescens levetid billeddannelse kan skelne K ⁺ og Na ⁺ i vandopløsning, metoden kræver specialiserede instrumenter. De fleste K ⁺ sensorer aktiveres også med kort bølgelængde, herunder ultraviolet (UV) eller synligt lys - hvilket fører til betydelig spredning og begrænset indtrængningsdybde ved undersøgelse af levende væv. I modsætning, den foreslåede nær-infrarøde (NIR) billeddannelsesteknik vil tilbyde unikke fordele under dybvævsbilleddannelse som et sandsynligt alternativ.

For at konstruere nanosensoren, Liu et al. indkapslede upconversion nanopartikler (UCNP'er) og en kommerciel K ⁺ indikator-kaliumbindende benzofuranisophthalat (PBFI) ind i kernen af ​​mesoporøse silica-nanopartikler (MSN'er). UCNP'erne var i stand til at konvertere NIR -lys til UV -lys og begejstre acceptoren for K ⁺ indikator gennem luminescensresonans energioverførsel. De afskærmede den ydre overflade af silica nanopartikler med et tyndt lag K ⁺ selektiv filtermembran med mikroporer skabt af carbonyl oxygen for specificitet. Opsætningen favoriserede gratis overførsel af K ⁺ gennem membranporen, samtidig med at andre biologisk relevante kationer forhindres i at diffundere igennem. Teknikken tillod dem at detektere små udsving i [K ⁺ ] i løsningen. Teamet brugte transmissionselektronmikroskopi (TEM) til at observere den velkontrollerede struktur og udseende af nanopartiklerne under hvert trin i nanosensorkonstruktionen. Dynamisk lysspredning bekræftede tilstedeværelsen af ​​en filtermembran på overfladen af ​​den afskærmede nanosensor.

Teamet testede den øgede følsomhed af den afskærmede nanosensor i et fysiologisk område (0 til 150 mM) og viste en 12-faldig stigning i fluorescensintensitet sammenlignet med uskærmede nanosensorer. K ⁺ prober måtte vise høj selektivitet mod Na ⁺ , som Liu et al. verificeret ved hjælp af den afskærmede nanosensor ved hurtigt at opdage konsekvent fluorescensfølsomhed over for svingende [K ⁺ ], mens det forbliver upåvirket af stigende [Na ⁺ ].

Da levende celler er afhængige af natrium-kalium adenosintrifosfatase (Na ⁺ /K ⁺ pumpe) for at opretholde en stejl [K ⁺ ] gradient hen over deres plasmamembran, processen er delvist ansvarlig for cellens energiforbrug. Defekter i cellulær energimetabolisme kan føre til tab af [K ⁺ ] gradient, mens det giver anledning til ekstracellulær [K ⁺ ] kendt som [K ⁺ ] _0, som forskerne overvågede for at opnå en værdifuld indikator for cellelevedygtighed og vækst. Derefter, de øgede nanosensorens specificitet til at detektere celledød eller proliferationshastigheder ved podning af polyethylenglycol (PEG) på overfladen af ​​nanosensorer i et kulturmedium indeholdende den humane embryonale nyre 293 -cellelinie. De optimerede derefter protokollen ved at forankre et stort antal nanosensorer på cellemembraner ved hjælp af streptavidinkonjugerede nanosensorer til biotinmodificerede celler. Resultaterne fremhævede forbedret følsomhed af afskærmede nanosensorer til løbende at overvåge K ⁺ udstrømning.

Holdet anvendte derefter den afskærmede nanosensor til at undersøge cortikal spredningsdepression (CSD) i musens hjerne som en bølgelignende spredning af neural aktivitet. Processen involverer typisk en langsom udbredelsesfrigivelse af K ⁺ i den kortikale overflade og kunne udløses i musens hjerne via kaliumchlorid (KCl) inkubation. Forskerne overvågede samtidigt det lokale feltpotentiale og det optiske signal gennem det kirurgiske kranievindue og observerede en bølge af stigende [K ⁺ ] ₀ formerer sig gradvist over cortex efter stimulering. Liu et al. observerede ikke en bølge i mus injiceret med uskærmede nanosensorer, angiver betydningen af ​​det ydre filter for forbedret følsomhed af nanosensoren. Den registrerede bølgehastighed varierede ikke signifikant fra de værdier, der blev opnået ved hjælp af blod-iltniveauafhængig magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) hos patienter med migræne-aura.

For at udvide applikationer af nanosensoren, Liu et al. overvågede neuronale calciumniveauer og ekstracellulære kaliumkoncentrationer ved hjælp af zebrafisklarver. Mens en stor stigning i den ekstracellulære kaliumkoncentration kan forårsage intens neuronal aktivering til at forårsage CSD og epilepsi, der findes ingen direkte beviser for at vise ændringer i ekstracellulært kalium under sygdommen. Holdet konstruerede derfor en sygdomsmodel ved hjælp af zebrafisklarver for at øge ekstracellulære kaliumkoncentrationer og observerede sygdomskarakteristisk neuronal aktivering i bestemte hjerneområder.

På denne måde, Jianan Liu og kolleger konstruerede en kaliumion -nanosensor med ekstremt høj følsomhed og selektivitet. Den ydre belægning af en selektiv filtermembran forbedrede selektiviteten, følsomhed, og kinetik for enheden til hurtig og kvantitativ [K ⁺ ] påvisning i levende celler og intakte hjerner. Den afskærmede nanosensor vil have brede anvendelser inden for hjerneforskning for at forbedre forståelsen af ​​unormal [K ⁺ ] -relaterede sygdomme. Metoden sammen med optisk fiberbaseret endoskop og fotometri tillader realtids kaliumbilleddannelse i frit bevægelige dyr.

© 2020 Science X Network