Onderzoekers hebben een aantal kaliumionen (K ⁺ ) sondes om fluctuerende K . te detecteren ⁺ concentraties tijdens verschillende biologische processen. Echter, dergelijke sondes zijn niet gevoelig genoeg om fysiologische fluctuaties bij levende dieren te detecteren en het is niet eenvoudig om diepe weefsels te volgen met excitaties met korte golflengte die tot nu toe in gebruik zijn. In een nieuw rapport Jianan Liu en een team van onderzoekers in de neurowetenschappen, scheikunde, en moleculaire engineering in China, beschrijf een zeer gevoelige en selectieve nanosensor voor nabij-infrarood (NIR) K ⁺ ionenbeeldvorming in levende cellen en dieren. Het team construeerde de nanosensor door opconversie-nanodeeltjes (UCNP's) en een commerciële kaliumion-indicator in de holle holte van mesoporeuze silica-nanodeeltjes in te kapselen en ze te coaten met een K ⁺ selectief filtermembraan. Het membraan geadsorbeerd K ⁺ uit het medium en alle storende kationen weggefilterd. In zijn werkingsmechanisme, UCNP's zetten NIR om in ultraviolet (UV) licht om de kaliumionindicator te prikkelen en fluctuerende kaliumionconcentraties in gekweekte cellen en in diermodellen van ziekten, waaronder muizen en zebravislarven, te detecteren. De resultaten zijn nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang .

Het meest voorkomende intracellulaire kation kalium (K ⁺ ) is uiterst cruciaal in een verscheidenheid aan biologische processen, waaronder neurale transmissie, hartslag, spiercontractie en nierfunctie. Variaties in de intracellulaire of extracellulaire K ⁺ concentratie (hierin aangeduid als [K ⁺ ]) wijzen op abnormale fysiologische functies, waaronder hartstoornissen, kanker, en suikerziekte. Als resultaat, onderzoekers willen graag effectieve strategieën ontwikkelen om de dynamiek van [K ⁺ ] schommelingen, specifiek met directe optische beeldvorming.

De meeste bestaande sondes zijn niet gevoelig voor K ⁺ detectie onder fysiologische omstandigheden en kan geen onderscheid maken tussen fluctuaties tussen [K ⁺ ] en het bijbehorende natriumion ([Na ⁺ ]) tijdens transmembraantransport in de Na ⁺ /K ⁺ pompen. Hoewel fluorescentie-levensduurbeeldvorming K . kan onderscheiden ⁺ en Na ⁺ in wateroplossing, de methode vereist gespecialiseerde instrumenten. de meeste K ⁺ sensoren worden ook geactiveerd met licht van korte golflengte, inclusief ultraviolet (UV) of zichtbaar licht, wat leidt tot aanzienlijke verstrooiing en beperkte penetratiediepte bij het onderzoeken van levende weefsels. In tegenstelling tot, de voorgestelde bijna-infrarood (NIR) beeldvormingstechniek zal unieke voordelen bieden tijdens diepe weefselbeeldvorming als een plausibel alternatief.

Om de nanosensor te ontwikkelen, Liu et al. ingekapselde upconversion nanodeeltjes (UCNP's) en een commerciële K ⁺ indicator-kaliumbindend benzofuraanisoftalaat (PBFI) in de kern van mesoporeuze silica-nanodeeltjes (MSN's). De UCNP's waren in staat om NIR-licht om te zetten in UV-licht en de acceptor van de K . te prikkelen ⁺ indicator door middel van luminescentie-resonantie-energieoverdracht. Ze beschermden het buitenoppervlak van silica nanodeeltjes met een dunne laag K ⁺ selectief filtermembraan met microporiën gemaakt van carbonylzuurstof voor specificiteit. De opzet was in het voordeel van de gratis overdracht van K ⁺ door de membraanporie, terwijl wordt voorkomen dat andere biologisch relevante kationen erdoorheen diffunderen. Dankzij de techniek konden ze kleine fluctuaties in [K ⁺ ] in de oplossing. Het team gebruikte transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) om de goed gecontroleerde structuur en het uiterlijk van de nanodeeltjes te observeren tijdens elke stap van de constructie van nanosensoren. Dynamische lichtverstrooiing bevestigde de aanwezigheid van een filtermembraan op het oppervlak van de afgeschermde nanosensor.

Het team testte de verhoogde gevoeligheid van de afgeschermde nanosensor in een fysiologisch bereik (0 tot 150 mM) en toonde een 12-voudige toename in fluorescentie-intensiteit in vergelijking met niet-afgeschermde nanosensoren. de K ⁺ sondes moesten een hoge selectiviteit tegen Na . vertonen ⁺ , die Liu et al. geverifieerd met behulp van de afgeschermde nanosensor door snelle detectie van consistente fluorescentiegevoeligheid voor fluctuerende [K ⁺ ], terwijl het onaangetast blijft door [Na ⁺ ].

Omdat levende cellen afhankelijk zijn van natrium-kaliumadenosinetrifosfatase (Na ⁺ /K ⁺ pomp) om een ​​steile [K ⁺ ] gradiënt over hun plasmamembraan, het proces is gedeeltelijk verantwoordelijk voor het energieverbruik van de cel. Defecten in het cellulaire energiemetabolisme kunnen leiden tot een verlies van de [K ⁺ ] verloop, terwijl het aanleiding geeft tot extracellulair [K ⁺ ] bekend als [K ⁺ ] _0, die de wetenschappers volgden om een ​​waardevolle indicator van de levensvatbaarheid en groei van de cellen te verkrijgen. Daarna, ze verhoogden de specificiteit van de nanosensor om celdood of proliferatiesnelheden te detecteren door polyethyleenglycol (PEG) op het oppervlak van nanosensoren te enten in een kweekmedium dat de menselijke embryonale nier 293-cellijn bevat. Vervolgens optimaliseerden ze het protocol door grote aantallen nanosensoren op celmembranen te verankeren met behulp van streptavidine-geconjugeerde nanosensoren aan biotine-gemodificeerde cellen. De resultaten wezen op een verbeterde gevoeligheid van afgeschermde nanosensoren om de K . continu te bewaken ⁺ uitstroom.

Het team paste vervolgens de afgeschermde nanosensor toe om corticale verspreidingsdepressie (CSD) in de hersenen van muizen te onderzoeken als een golfachtige voortplanting van neurale activiteit. Het proces omvat typisch een langzame verspreiding van K ⁺ in het corticale oppervlak en kan in de muizenhersenen worden geactiveerd via incubatie met kaliumchloride (KCl). De wetenschappers volgden tegelijkertijd het lokale veldpotentieel en het optische signaal door het chirurgische craniale venster en observeerden een golf van toenemende [K ⁺ ] ₀ propageren zich geleidelijk over de cortex na stimulatie. Liu et al. geen golf waargenomen bij muizen die waren geïnjecteerd met niet-afgeschermde nanosensoren, wat het belang aangeeft van het buitenste filter voor een verbeterde gevoeligheid van de nanosensor. De geregistreerde golfsnelheid verschilde niet significant van de waarden die werden verkregen met behulp van bloedzuurstofniveau-afhankelijke magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) bij patiënten met migraine-aura.

Om toepassingen van de nanosensor uit te breiden, Liu et al. gecontroleerde neuronale calciumspiegels en extracellulaire kaliumconcentraties met behulp van zebravislarven. Hoewel een grote toename van de extracellulaire kaliumconcentratie intense neuronale activering kan veroorzaken om CSD en epilepsie te veroorzaken, er is geen direct bewijs om veranderingen in extracellulair kalium tijdens de ziekte aan te tonen. Het team ontwikkelde daarom een ​​ziektemodel met behulp van zebravislarven om de extracellulaire kaliumconcentraties te verhogen en observeerde ziektekarakteristieke neuronale activering in specifieke hersengebieden.

Op deze manier, Jianan Liu en collega's hebben een kaliumion-nanosensor ontwikkeld met een extreem hoge gevoeligheid en selectiviteit. De externe coating van een selectief filtermembraan verhoogde de selectiviteit, gevoeligheid, en kinetiek van het apparaat voor snelle en kwantitatieve [K ⁺ ] detectie in levende cellen en intacte hersenen. De afgeschermde nanosensor zal brede toepassingen hebben in hersenonderzoek om het begrip van abnormale [K .] te verbeteren ⁺ ]-gerelateerde ziekten. De methode naast optische vezel-gebaseerde endoscoop en fotometrie zal real-time kaliumbeeldvorming mogelijk maken in vrij bewegende dieren.

© 2020 Wetenschap X Netwerk