Высокочувствительный наносенсор обнаруживает тонкие изменения калия в мозге

Исследователи разработали высокочувствительный и селективный наносенсор для визуализации ионов калия (K+) в ближнем инфракрасном (NIR) диапазоне в живых клетках и животных. Работа опубликована в Science Advances.

Конструкция и принцип работы наносенсора

Наносенсор создан путем инкапсуляции наночастиц ап-конверсии (UCNPs) и коммерческого индикатора ионов калия PBFI в полую полость мезопористых наночастиц кремнезема (MSN). Внешняя поверхность покрыта селективной фильтрующей мембраной для K+.

Механизм действия:

  1. UCNPs преобразуют NIR-излучение в ультрафиолетовое (UV).
  2. UV свет возбуждает индикатор PBFI.
  3. Фильтрующая мембрана пропускает только ионы K+, отсеивая мешающие катионы (например, Na+).

Характеристики и испытания

  • Чувствительность: В физиологическом диапазоне (0–150 мМ) сенсор показал 12-кратное увеличение интенсивности флуоресценции по сравнению с версией без защитной мембраны.
  • Селективность: Сенсор надежно детектировал колебания [K+], оставаясь нечувствительным к изменениям концентрации натрия [Na+].

Применение в биологических моделях

  1. Культуры клеток: Наносенсор, закрепленный на мембранах клеток линии HEK 293, позволил с высокой чувствительностью отслеживать эффлюкс K+ — индикатор жизнеспособности и метаболизма клеток.

  2. Мозг мыши (корковая распространяющаяся депрессия — CSD):

    • С помощью наносенсора визуализирована волна повышения внеклеточного калия [K+]0, распространяющаяся по коре мозга после стимуляции KCl.
    • Скорость волны соответствовала данным МРТ у пациентов с мигренозной аурой.
    • Без защитной фильтрующей мембраны волна не детектировалась.

  3. Личинки рыбки данио (модель эпилепсии):

    • Наносенсор использован для мониторинга повышения внеклеточного K+, вызывающего характерную нейрональную активацию в специфичных областях мозга.

Перспективы

Разработанный наносенсор с экстремально высокой чувствительностью и селективностью открывает широкие возможности для исследований мозга и понимания заболеваний, связанных с аномалиями концентрации K+. В сочетании с оптоволоконными эндоскопами метод позволит проводить визуализацию калия в реальном времени у свободно движущихся животных.

2020-04-24