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光學工程
新型納米傳感器提高腦成像精度

熒光成像揭示出腦部鉀離子活度詳細信息。


更好的傳感器:對鉀離子成像

神經活動中的鉀離子是神經電信號的關鍵因素,同時又牽涉到神經刺激過程,它已經引起了科學家們的興趣。

神經元內部的鉀離子濃度相對于外部要高,這個濃度梯度相當重要。腦細胞對于細胞外的鉀離子濃度能夠嚴格控制,從而避免造成活性失控這種典型的癲癇特征。

監測神經活動中鉀離子的釋放以及測量它的濃度一直以來都是利用對鉀離子敏感的微電極,將它們插入到適當的細胞外空隙。雖然這個方法能夠得到精確的數據,但是只能提供局部的測量結果,同時在生物組織內形成了死腔,影響局部結構。

一種新的光學成像方法將能夠避免這些問題,但這種利用染料分子對離子動力學成像的方法還面臨一些實際操作上的困難,這包括選擇合適的染料以及使用過程中染料分子在細胞外空隙的擴散。這些都限制了對表面皮層區域的成像。

洛桑大學的一個研究項目提出了一種有效的解決方案,利用基于樹狀聚合物分子制成的鉀離子指示納米傳感器的熒光成像技術。除了驗證這個方法的有效性外,該項目還研究了同時針對其他神經活動的多模納米傳感器的可能性。相關的研究成果發表在Neurophotonics上。

洛桑大學的Jean-Yves Chatton評論到,“腦內的鉀離子測量工作目前已經通過鉀離子指示的微電極完成。這是種相當有價值的測量工具。但是它們多少會有些破壞性,而且也只能測量在微電極周圍的鉀離子信息。同時對于腦組織內鉀離子分布的空間分辨率也不夠。而我們的納米傳感器方案有望解決這些問題。”

這種傳感器利用了先進的樹狀大分子制造技術,樹狀大分子是醫藥保健工業中備受關注的人造納米材料,它具有高度的分叉結構,既能夠確保已有的基團同時又能引進新的功能基團。當前最常見的樹狀大分子是用聚胺酰制成的,洛桑大學的研究項目用聚乙二醇修飾的聚胺酰分子,聚乙二醇可作為鉀離子指示染料分子的支架,通過非共價相互作用固定。

多模納米傳感器

Chatton表示:“典型的指示分子分子量很小,在細胞外空隙時這些分子將擴散開來,幾秒鐘內分子濃度變小,這將阻止我們進行穩定的測量。因此我們提出了將熒光分子放置在5-6納米大小的樹狀分子內部,這會在較長時間內將熒光分子限制在細胞外空隙。”

另外一個困難就是現存熒光探針的敏感度和指示性都很低,而且還需要用到紫外光。該項目利用洛桑大學的一個合作伙伴開發的新型探針。這種探針具有更高的熒光量子效率和更好的鉀離子指示性,另外還可以在可見光下工作。

該小組最初驗證傳感器的有效性是在溶膠凝膠中工作在雙光子激發模式下,他們測試了老鼠的活躍腦切片,這種薄的腦切片能夠保持之前在活體中的神經元信息。結果證明用樹狀分子固定的染料分子能在細胞外空隙保持一段時間不擴散,這比傳統的方法要有利得多。

該小組又開發了另一個版本的納米傳感器,這次引入了第二種染料分子,它對鉀離子不敏感但是能夠發出紅光。這種雙通道多模式的染料分子設計得到的數據能夠讓小組成員對樣品在焦平面附近的漂移進行補償,從而得到更為精確的鉀離子比率成像圖案。

這種對細胞外空隙成像的納米傳感器通過可行性測試后,該小組正考慮擴展傳感器的用途。這種納米傳感器可結合多個光學數據,從而形成多模光學納米傳感器,具有更廣泛的應用前景。

Chatton說到:“我們已經進行了原理證明,分別在體外和腦切片中驗證了該方法。現在我們開始用老鼠進行活體雙光子腦成像。雖然我們還沒考慮臨床應用的問題,但這些實驗的結果將會為臨床實驗指明方向。”


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