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0431-81702023
光学工程
新型纳米传感器提高脑成像精度

荧光成像揭示出脑部钾离子活度详细信息。


更好的传感器:对钾离子成像

神经活动中的钾离子是神经电信号的关键因素,同时又牵涉到神经刺激过程,它已经引起了科学家们的兴趣。

神经元内部的钾离子浓度相对于外部要高,这个浓度梯度相当重要。脑细胞对于细胞外的钾离子浓度能够严格控制,从而避免造成活性失控这种典型的癫痫特征。

监测神经活动中钾离子的释放以及测量它的浓度一直以来都是利用对钾离子敏感的微电极,将它们插入到适当的细胞外空隙。虽然这个方法能够得到精确的数据,但是只能提供局部的测量结果,同时在生物组织内形成了死腔,影响局部结构。

一种新的光学成像方法将能够避免这些问题,但这种利用染料分子对离子动力学成像的方法还面临一些实际操作上的困难,这包括选择合适的染料以及使用过程中染料分子在细胞外空隙的扩散。这些都限制了对表面皮层区域的成像。

洛桑大学的一个研究项目提出了一种有效的解决方案,利用基于树状聚合物分子制成的钾离子指示纳米传感器的荧光成像技术。除了验证这个方法的有效性外,该项目还研究了同时针对其他神经活动的多模纳米传感器的可能性。相关的研究成果发表在Neurophotonics上。

洛桑大学的Jean-Yves Chatton评论到,“脑内的钾离子测量工作目前已经通过钾离子指示的微电极完成。这是种相当有价值的测量工具。但是它们多少会有些破坏性,而且也只能测量在微电极周围的钾离子信息。同时对于脑组织内钾离子分布的空间分辨率也不够。而我们的纳米传感器方案有望解决这些问题。”

这种传感器利用了先进的树状大分子制造技术,树状大分子是医药保健工业中备受关注的人造纳米材料,它具有高度的分叉结构,既能够确保已有的基团同时又能引进新的功能基团。当前最常见的树状大分子是用聚胺酰制成的,洛桑大学的研究项目用聚乙二醇修饰的聚胺酰分子,聚乙二醇可作为钾离子指示染料分子的支架,通过非共价相互作用固定。

多模纳米传感器

Chatton表示:“典型的指示分子分子量很小,在细胞外空隙时这些分子将扩散开来,几秒钟内分子浓度变小,这将阻止我们进行稳定的测量。因此我们提出了将荧光分子放置在5-6纳米大小的树状分子内部,这会在较长时间内将荧光分子限制在细胞外空隙。”

另外一个困难就是现存荧光探针的敏感度和指示性都很低,而且还需要用到紫外光。该项目利用洛桑大学的一个合作伙伴开发的新型探针。这种探针具有更高的荧光量子效率和更好的钾离子指示性,另外还可以在可见光下工作。

该小组最初验证传感器的有效性是在溶胶凝胶中工作在双光子激发模式下,他们测试了老鼠的活跃脑切片,这种薄的脑切片能够保持之前在活体中的神经元信息。结果证明用树状分子固定的染料分子能在细胞外空隙保持一段时间不扩散,这比传统的方法要有利得多。

该小组又开发了另一个版本的纳米传感器,这次引入了第二种染料分子,它对钾离子不敏感但是能够发出红光。这种双通道多模式的染料分子设计得到的数据能够让小组成员对样品在焦平面附近的漂移进行补偿,从而得到更为精确的钾离子比率成像图案。

这种对细胞外空隙成像的纳米传感器通过可行性测试后,该小组正考虑扩展传感器的用途。这种纳米传感器可结合多个光学数据,从而形成多模光学纳米传感器,具有更广泛的应用前景。

Chatton说到:“我们已经进行了原理证明,分别在体外和脑切片中验证了该方法。现在我们开始用老鼠进行活体双光子脑成像。虽然我们还没考虑临床应用的问题,但这些实验的结果将会为临床实验指明方向。”


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